Теоретические основы работы

Для измерения давления в различных отраслях промышленности
в настоящее время широко применяются деформационные манометры.
В этих приборах в качестве чувствительных элементов используются трубчатые пружины, сильфоны и мембраны.

Принцип действия деформационных, или пружинных манометров основан на использовании упругой деформации пружинного элемента, возникающей под действием давления.

Манометры с трубчатыми пружинами используются при измерении давления в диапазонах от 0¸0,5 до 0¸16000 бар. Широкое применение этих приборов обусловлено простотой их конструкции, наглядностью показа-ний, высокой точностью, надежностью и небольшими размерами [6].

На рис. 4.1а представлен манометр с одновитковой трубчатой пружиной. Он содержит трубчатую пружину 1 (чувствительный элемент), один конец которой укреплен в держателе 2, а второй, закрытый пробкой 3, соединен с поводком 4 и передаточным механизмом.

Одновитковая трубчатая пружина представляет собой металлическую трубку эллиптического (рис. 4.1б) или овального (рис. 4.1в) сечения, изогнутую по дуге. Малая ось «б» сечения расположена в плоскости чертежа (см. рис. 4.1б). При изменении давления, подаваемого через держатель 2 во внутреннюю полость трубки, возникает деформация сечения трубки. При увеличении давления сечение трубки стремится принять круглую форму.

При этом деформация сечения отрезка трубки А приводит к перемещению отрезка трубки Б (рис. 4.1а), а деформация сечения отрезка Б – к перемещению отрезка В и т.д. Таким образом, деформация сечения трубки вызывает перемещение ее незакрепленного конца. При увеличении давления первоначальный угол закручивания трубки g уменьшается и становится равным g ¢ (рис. 4.1а). Обратная картина имеет место при снижении давления. Изменение D g угла закручивания трубки служит мерой давления. Обычно величина D g связана с измеряемым давлением линейно:

D g = k × P,                                         (4.1)

где k – коэффициент передачи или преобразования трубки. Коэффициент k является функцией ряда величин:

                                   (4.2)

где E – модуль упругости материала трубки; m – коэффициент Пуассона;
R – радиус кривизны трубки; а, b – большая и малая оси сечения;
d – толщина стенки трубки. При прочих равных условиях коэффициент k пропорционален начальному углу закручивания g  трубки.

Рис. 4.1. Манометр с одновитковой трубчатой пружиной: схема (а); пружина эллиптического (б) и овального сечения (в)

Для измерения давлений до 50 бар трубки изготавливаются из латуни или бронзы, а для более высоких давлений – из стали.

Максимальное изменение угла закручивания трубчатой пружины при давлении, соответствующем верхнему пределу измерения, составляет 6¸8°. Увеличение угла поворота достигается с помощью передаточного механизма, представляющего собой усилитель угловых перемещений. Обычно применяются зубчато-секторные механизмы (см. рис. 4.1а). Этот механизм состоит из трубчатого сектора 5, зубчатого колеса 6 и спиральной пружины 3. На оси 8 зубчатого колеса закреплена указывающая стрелка 9. Пружина 7 одним концом прикреплена к оси 8 зубчатого колеса, а другим – к неподвижной точке платы механизма. Пружина несколько закручена, в результате этого устраняются зазоры в зубчатом зацеплении и шарнирных соединениях механизма. К сектору винтом 11 прикреплена пластина 10 с продельным пазом, позволяющим перемещать ее в продольном направлении для измерения плеча и изменения коэффициента передачи (усиления) передаточного механизма. На пластинке 10 укреплен шарнир 12 поводка 4.

При перемещении под действием измеряемого давления незакрепленного конца одновитковой трубчатой пружины 1 поводок 4 перемещает пластину 10. При этом зубчатый сектор 5 поворачивается вокруг точки 0 и заставляет поворачиваться шестерню вместе с осью 8 и стрелкой 9 на определенный угол, который в несколько десятков раз больше, чем угол поворота зубчатого сектора 5. Величина угла поворота стрелки 9 определяется по шкале 13.

Манометры с одновитковой трубчатой пружиной могут быть:

техническими (классы точности 1¸4) – для осуществления изме-рений на технологических процессах;

контрольными (классы точности 0,5 и 1) – для определения работо-способности технических манометров непосредственно на технологиче-ских процессах,

образцовыми (эталонными) (классы точности 0,16¸0,4) – для по-верки и градуировки технических манометров в лабораторных условиях.

Также существуют многовитковые манометры. Принцип действия аналогичен принципу действия манометров с одновитковой трубчатой пружиной. Чувствительным элементом в этих приборах служит трубчатая пружина, содержащая 6¸9 витков.

Манометры с многовитковой трубчатой пружиной выпускаются на различные диапазоны измерения (до 160 бар) с классами точности 1 и 1,5.