Приборы с трубчатыми пружинами

Пружинные приборы

Наиболее широко применяют приборы (манометры, вакуум­метры, мановакуумметры и дифманометры) с одновитковой труб­чатой пружиной.

Основная деталь прибора с одновитковой трубчатой пружиной— согнутая по дуге окружности трубка 1 эллиптического или пло­скоовального сечения (рис.). 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. Так как один конец трубки закреплен, то при изменении кривизны трубки ее свооодныи конец перемещается по траектории, близкой к прямой, и при этом воздействует на передаточный механизм, который поворачивает стрелку показывающего прибора.

Свойство изогнутой трубки некруглого сечения изменять кривизну при изменении давления в ее полости является след­ствием изменения формы сечения. Под действием давления внутри трубки эллиптическое или плоскоовальное сечение, деформируясь, приближается к круговому сечению (малая ось эллипса или овала увеличивается, а большая — уменьшается).

Рассмотрим трубку, согнутую по дуге окружности так, что большая ось сечения параллельна оси кольца. Сделаем два допу­щения: 1) при избыточном давлении внутри трубки малая ось сечения увеличивается; 2) при деформации длина трубки остается постоянной, т. е. дуги АВ и А'В' сохраняют первоначальную длину. Первое допущение — это констатация действительного явления, подтвержденного опытом, поэтому оно не вызывает сом­нений. Второе допущение можно применять без ощутимой погреш­ности, так как на практике раскручивание трубки очень мало, а следовательно, изменение длины трубки — пренебрежимо ма­лая величина.

Величина х весьма мала по сравнению с Ь, поэтому без замет­ной погрешности можно принять, что

Обозначим OA — R; OA' = г; <АОВ — у. Эти же величины после деформации обозначим соответственно _R', г', у⁷, тогда согласно второму допущению Ry = R'y' и гу = г'у' Вычтя из- первого равенства второе, получим (R — г) у = (R' — г') у'. Но так как разности R — г и R' — г' представляют собой малые оси эллипса до и после деформации, то согласно первому допущению (R' — г') > (R — г). Обозначив малые оси соответственно через b и Ь', получим by = b'y'\ но b < b', следовательно, v > у', т. е. под действием давления угол изгиба трубки уменьшается и трубка разгибается. Если принять, что b' = b + х и у' = у — |3, то получим by = (b + х) (7 — Р). Решив это уравнение отно­сительно р, получим

Из уравнения (13.2) видно, что изменение угла изгиба трубки прямо пропорционально увеличению малой оси и первоначаль­ному углу изгиба и обратно пропорционально длине малой оси эллипса. Этот вывод подтверждается практикой, так как в дей­ствительности трубка тем чувствительнее, чем меньше малая ось сечения и больше начальный угол изгиба трубки.

При разрежении внутри трубки малая ось уменьшается, т. е. х и, следовательно, угол в уравнении (13.1) становятся отрицатель

Ными величинами, подставив р в выражение у = у — р, полу­чим

Таким образом, при создании внутри трубки разрежения угол у увеличивается, следовательно, трубка скручивается.

Приведенные рассуждения устанавливают лишь качествен­ную сторону явления и не могут служить основанием для расчета, так как величина х, будучи функцией формы, размеров трубки и свойств материала, остается неизвестной.

Перемещение свободного конца до определенного предела пропорционально давлению Д = kp. 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.

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/?_тах (разрежение или разность давлений) назначают ниже предела пропорциональности р_а. Отношение pjp_mia = 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 = 1,5... 2,5. Кроме того, для увеличения надежности обычно выбирают манометры так, чтобы наибольшее измеряемое статиче­ское давление не превышало 0,65—0,75 верхнего предела измере­ния по шкале.

Механические характеристики трубки, т. е. предел пропор­циональности и перемещение свободного конца, зависят от ряда факторов, из которых наиболее важны отношение осей сечения трубки, толщина ее стенок, модуль упругости материала и радиус дуги изгиба трубки.

Увеличение отношения осей при прочих равных условиях по­вышает чувствительность и снижает предел пропорциональности. Обычно соотношение осей для трубок, рассчитанных на Малые и средние давления, находится в пределах alb = 1,5... 4,5. Увели­чение толщины стенок резко повышает предел пропорциональности.

В манометрах высокого давления (свыше 98 МПа) применяют толстостенные из легированной стали трубчатые пружины круг­лого сечения с каналом, ось которого смещена относительно оси пружины в сторону центра кривизны последней (рис. 13.3). Бла­годаря эксцентричному каналу избыточное давление на заглушку свободного конца трубки создает момент, вызывающий уменьше­ние кривизны трубки и перемещение ее свободного конца.

Манометры с трубчатой пружиной (см. рис) изготовляют на давление до 1000 МПа.

Перемещение свободного конца трубки под действием давления Еесьма невелико, поэтому для увеличения точности и на­глядности показаний прибора вводят пе­редаточный механизм, увеличивающий масштаб перемещений конца трубки. Обычно применяют зубчато-секторные передаточные механизмы.

По устройству вакуумметры и мановакуумметры с одновитковой трубчатой пружиной не отличаются от манометра.

Рабочие приборы с круговой шкалой изготовляют показыва­ющими без дополнительных устройств, а также с контактным устройством, электрическими или пневматическим преобразова­телями для телепередачи.

Показывающие приборы применяют чаще всего в качестве местных приборов. Электроконтактные манометры используют для сигнализации о достижении минимального или максималь­ного рабочего давления или для двухпозиционного регулирова­ния. Электроконтактный манометр по принципу действия аналогичен указывающему манометру с одновитковой трубчатой пру­жиной. Для сигнализации служит контактный механизм, элек­трическая схема которого аналогична применяемой в манометри­ческих термометрах (см. рис.). Контактный манометр может работать только при плавном (без пульсаций) изменении давления.

Электрические и пневматические преобразователи аналогичны показанным на рис. В пружинном манометре с электри­ческим преобразователем (рис. а) давление преобразуется на манометрической пружине 10 в пропорциональное усилие F. Последнее через рычажный передаточный механизм, состоящий из рычагов 1, 2 а 8, автоматически уравновешивается усилием обратной связи, создаваемым в магнитоэлектрическом механизме 9 при взаимодействии протекающего в подвижной катушке тока с полем постоянного магнита. При изменении измеряемого давле­ния перемещается рычажный механизм и связанный с рычагом 8 флажок 5 индикатора рассогласования 6. Возникающий на инди­каторе сигнал рассогласования усиливается электронным усили­телем 7 и поступает в силовое устройство обратной связи и одно-' временно в линию дистанционной передачи, являясь мерой изме­ряемого параметра.

На заданный диапазон измерения прибор настраивают измене­нием передаточного отношения рычажного механизма. Для этого перемещают подвижную опору 3 вдоль рычагов 1 я 2. Передаточ­ное отношение можно изменять в пределах 1: 10. Нулевое значение выходного сигнала устанавливают пружинным корректором нуля 4. -

В пружинном приборе с пневматической силовой компенса­цией (рис. б) давление также преобразуется в усилие, кото­рое через рычажный передаточный механизм, состоящий из ры­чагов 1 и 2, автоматически уравновешивается усилием, развивае­мым давлением воздуха в сильфоне 13 обратной связи. При изме­нении измеряемого давления перемещаются рычаги рычажной системы и связанная с рычагом 1 заслонка 12 перемещается отно­сительно сопла 11.

Манометры с многовитковой (геликоидальной) трубчатой пру­жиной отличаются от одновитковых формой рабочего органа, имеющего вид цилиндрической спирали с шестью — де­вятью витками, свернутой из плоской трубки. Геликоидальную трубку можно рассматривать как ряд одновитковых трубок, со­единенных последовательно. Вследствие этого перемещение сво­бодного конца трубки значительно больше перемещения одновит- кового манометра. Манометры с геликоидальной трубчатой пру­жиной применяют главным образом как самопишущие и для передачи показаний на расстояние. В них обычно используют электрические системы теплопередачи. Максимальное давление До 15,6 МПа.