Деформационные датчики давления

В промышленной практике измерения давления и разности давлений

широкое применение получили деформационные (с упругим чувствитель-

ным элементом) приборы. В этих приборах давление определяется по де-

формации упругих чувствительных элементов или по развиваемой ими си-

ле, которые преобразуются передаточными механизмами в угловое или линейное перемещение указателя по шкале прибора.

По виду упругого чувствительного элемента пружинные приборы

делятся на следующие группы:

- приборы с трубчатой пружиной;

- мембранные приборы;

- сильфонные приборы.

Манометры с трубчатой пружиной – один из наиболее распространенных видов деформационных приборов. Чувствительным элементом таких приборов является согнутая по дуге окружности и запаянная с одного

конца трубка 1 (трубка Бурдона) эллиптического (рис. 32.а), плоскоовального (рис. 32.б) или круглого сечения (рис. 32.в).

 

Рис. 32. Трубчатые пружины

 

Третий вид трубок выполняют из легированной стали и используют для измерения высоких давлений (свыше 98 МПа). Одним концом трубка заделана в держатель 2, оканчивающийся ниппелем с резьбой для присоединения к полости, в которой измеряется давление. Внутри держателя есть канал, соединяющийся с внутренней полостью трубки. Если в трубку подать жидкость, газ или пар под избыточным давлением, то кривизна трубки уменьшается и она распрямляется; при создании разрежения внутри трубки кривизна ее возрастает, и трубка скручивается. Свойство изогнутой трубки некруглого сечения изменять величину изгиба при изменении давления обусловлено изменением формы сечения. Под действием давления внутри трубки эллиптическое или овальное сечение, деформируясь, приближается к круговому, что приводит к раскручиванию трубки, т.е. угловому перемещению ее свободного конца на небольшую величину Δ. В трубках круглого сечения, благодаря эксцентричному каналу, избыточное давление, действуя на заглушку свободного конца трубки, создает момент, вызывающий уменьшение ее кривизны.

Перемещение свободного конца до определенного предела пропорционально давлению Δ=k·P. При дальнейшем повышении давления линейная зависимость нарушается – деформация начинает расти быстрее увеличения давления. Предельное давление, при котором еще сохраняется линейная зависимость между перемещением конца трубки и давлением, называется пределом пропорциональности трубки P_п. Предел

пропорциональности является важнейшей характеристикой трубки. При

переходе давления за предел пропорциональности трубка приобретает

остаточную деформацию и становится непригодной для измерения. Чтобы

не допустить возникновения остаточной деформации, наибольшее рабочее

давление Р_max (разрежение или разность давлений) назначают ниже

предела пропорциональности P_п. Отношение Р_п/P_max = k называется

коэффициентом запаса. Во всех случаях коэффициент k должен быть

больше единицы. Для максимального увеличения долговечности трубки и

снижения влияния упругого последействия принимают k = 1,35 ÷ 2,5.

В соответствии с этим шкалу манометра (верхний предел измерения)

выбирают таким образом, чтобы рабочий предел измерения (наибольшее

рабочее давление) был не более 3/4 верхнего предела измерения при по-

стоянном давлении и не более 2/3 верхнего предела измерения при пере-

менном давлении.

Верхние пределы измерения манометра выбирают из ряда: (1; 1,6;

2,5; 4;6) · 10ⁿ, где n - целое положительное или отрицательное число.

Перемещение Δ свободного конца трубки под действием давления

весьма невелико, поэтому в конструкцию прибора введен передаточный механизм, увеличивающий масштаб перемещения конца трубки. Конструкция манометра с трибко-секторным передаточным механизмом показана на рис. 33.а. Перемещение свободного конца трубчатой пружины

 

Рис. 33. Манометры с трубчатой пружиной

 

1 через поводок 2 передается зубчатому сектору 3, который приводит во вращение трибку 4 с закреплённой на ней указательной стрелкой 5. В результате перемещение свободного конца трубчатой пружины преобразуется в перемещение стрелки. Для устранения люфта передаточного механизма трибка подпружинена с помощью спиральной плоской пружины.

Иногда применяются манометры с рычажным передаточным механизмом. Такие манометры проще в регулировке, обладают малой чувствительностью к вибрациям, просты в изготовлении и имеют меньшую стоимость. Недостатком этих приборов является узкая шкала (60 – 70°) и невысокий класс точности – 2,5 и 4,0.

Мембранные приборы. Приборы с чувствительным элементом в

виде плоских и гофрированных мембран, мембранных коробок и мембран-

ных блоков применяют для измерения небольших избыточных давлений и

разрежений (манометры, напоромеры и тягомеры), а также перепадов дав-

ления (дифманометры). Мембрана представляет собой тонкий диск определенного диаметра, выполненный из металла или специального упругого материала, который жестко закрепляется по периметру в измерительном блоке (рис. 34). Под воздействием измеряемого давления Р₁ (при условии Р₁> Р₂, где Р₂ – внешнее давление) происходит прогиб мембраны на величину h, что в дальнейшем приводит к преобразованию этого перемещения во вращательное движение стрелки прибора.

 

Рис. 34. Мембрана и её прогиб

 

 

Рис. 35. Упругие мембраны

Применяют плоские и гофрированные упругие мембраны (рис.35, a,б). Наличие гофров делает статическую характеристику мембраны более линейной.

Упругие мембраны используют, преимущественно, как чувствительные элементы в первичных преобразователях, например, в дифманометрах. Величина прогиба мембраны является сложной функцией действующего на нее давления, ее геометрических параметров (диаметра, толщины, числа и формы гофров), а также модуля упругости материала мембраны. Число, форма и размеры гофра зависят от назначения прибора, пределов измерения и других факторов. Гофрировка мембраны увеличивает ее жесткость, т.е. уменьшает прогиб при одинаковом давлении. Из-за сложности расчета в большинстве случаев характеристику мембраны подбирают опытным путем. Для увеличения прогиба в приборах для малых давлений (разрежений) мембраны попарно соединяют (сваркой или пайкой) в мембран-

ные коробки (рис. 36,а), а коробки – в мембранные блоки (рис. 36,б).

 

Рис. 36. Мембранные чувствительные элементы

 

Мембраны применяются в качестве чувствительных элементов при измерении давлений вязких и загрязненных сред. Такие приборы менее чувствительны к вибрациям и пульсациям измеряемой среды, применимы при соответствущей защите мембраны для измерения давления агрессивных сред. На рис.37 показана схема манометра, в котором мембрана 1 герметично приварена к фланцу 2. В центре мембраны закреплен шток 3, соединенный с рычагом зубчатого сектора 4. Зубчатый сектор приводит во вращение трибку 5, на оси которой насажена указательная стрелка 6. Крепежные отверстия 7 предназначены для монтажа прибора к соответствующему фланцу, приваренному к технологическому трубопроводу.

Мембранные манометры могут выполняться как с открытой мембраной (рис.37, а), так и с подводящим штуцером (рис.37, б), а также с дополнительным фланцем (рис.37, в),

 

Рис. 37. Мембранный манометр для измерения давления вязких и загрязненных сред, а также виды его присоединительных фланцев

 

Сильфонные приборы. Сильфон – это тонкостенная металлическая

камера с гофрированной боковой поверхностью (рис.38). Изготавливают

сильфоны из латуни, а также из нержавеющей стали или бериллиевой

бронзы. Они применяются в качестве чувствительных элементов приборов

давления, которые своевременно и точно реагируют на изменение давле-

ния. При действии нагрузки (внешнего Р₂ или внутреннего Р₁ давления) длина сильфона изменяется, увеличиваясь или уменьшаясь в зависимости от направления приложенной силы. Наличие гофров позволяет перемещать подвижную часть сильфона на значительное расстояние

(десятки миллиметров) без заметного изменения его характеристик. Выходная координата сильфона - перемещение h, входные - давления Р₁ и Р₂ или их разность ΔР.

 

Рис. 38. Сильфон

Существенными недостатками сильфонов являются значительный

гистерезис и некоторая нелинейность характеристики. Для увеличения

жесткости, уменьшения влияния гистерезиса и нелинейности часто внутрь

сильфона помещают винтовую цилиндрическую пружину. В этом случае

характеристика сильфона изменяется, так как к жесткости сильфона

добавляется жесткость пружины. Жесткость пружины обычно в несколько

раз превышает жесткость сильфона, благодаря чему резко уменьшается влияние гистерезиса сильфона и некоторой нелинейности его

характеристики.