Мембранные и сильфонные приборы

Приборы с чувствительным элементом в виде гофрированных мембран, мембранных коробок и мембранных блоков применяют для измерения небольших избыточных давлений и разрежений (манометры, напоромеры и тягомеры), а также перепадов давле­ния (дифманометры). 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 мембранные коробки, а коробки — в мембранные блоки. Мембранные коробки могут быть анероидными (см. рис. г) и манометрическими (рис. д). Анероидные коробки, приме­няемые в барометрах и барографах, герметизированы и запол­нены воздухом или каким-либо газом при малом давлении, обычно 1,33 Па.

Деформация анероидной коробки происходит под действием разности давления окружающей ее среды и давления в полости коробки. Так как давление в полости коробки очень мало, то можно считать, что ее деформация определяется атмосферным давлением. Деформация анеронднон или манометрической ко­робки равна сумме деформаций составляющих ее мембран.

Пружинно-мембранные приборы (рис. з) отличаются от описанных тем, что мембрана, воспринимающая давление, выпол­нена из гибкого материала (вялая мембрана), а давление уравно­вешивается цилиндрической винтовой пружиной. Гибкие мембраны обычно изготовляют из резины с тканевой основой, ткани с газо­непроницаемой пропиткой или особых пластмасс. Вялые мембраны применяют в тягомерах, напоромерах, тягонапоромерах и диф- манометрах. Неметаллические мембраны, как правило, снабжают жестким центром.

К недостаткам мембранных приборов относятся небольшой ход подвижного центра чувствительного элемента, значительное отклонение жесткости мембраны от расчетной и трудность регу­лирования жесткости мембран. Эти недостатки мембранных чувствительных элементов устраняются в приборах, построенных по схеме силовой электрической или пневматической компенса­ции (см. рис).

Чувствительным элементом сильфонных приборов является цилиндрический тонкостенный сосуд с кольцевыми складками (гофрами), называемый сильфоном (рис.). Сильфоны изготов­ляют из латуни, бериллиевой бронзы и коррозионно-стойкой стали (обычно марки 12Х18Н9Т). При действии нагрузки (внешнего

или внутреннего давления) длина сильфона изменяется, увеличиваясь или умень­шаясь в зависимости от напра­вления приложенной силы.

В пределах рабочего диа­пазона давлений деформация сильфона приблизительно

пропорциональна действующей силе, т. е. характеристика силь- фона близка к линейной. В пределах прямолинейной характери­стики отношение действующей силы к вызванной ею деформа­ции постоянно и называется жесткостью сильфона. Для пере­хода от характеристики по нагрузке к характеристике по дав­лению вводят понятие «эффективная площадь сильфона» 5,_ф.

Эффективную площадь сильфона определяют как отношение силы F к давлению р: s_3ф = Ftp. Радиус эффективной площади, как показывает опыт, весьма близок среднему радиусу сильфона, т. е. R_cр = (R_H + R_B)/2 и = nRl_р, где R_H и R_B — наружный и внутренний радиус сильфона.

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.

Расчетные формулы основных размеров сильфонов весьма сложны и не всегда подтверждаются опытом. Обычно диаметр сильфонов в пределах 20—80 мм; рабочий ход сильфонов 5—10 мм. Относительно большой рабочий ход сильфонов позволяет приме­нять их в самопишущих приборах.

На рис. показан сильфонный манометр (МС) с записью на дисковой диаграммной бумаге. Измеряемое давление через штуцер прибора передается через капилляр 2 в кожух 3 сильфона. При этом дно сильфона 1 перемещается вверх, и его движение через толкатель 4, коленчатый рычаг 5 и тягу 6 вызывает поворот рычага 7 с пером для записи показаний или стрелки, если прибор показывающий.

Сильфонный манометр служит вторичным прибором в системах с пневматической передачей показаний на расстояние.

В аналогичном исполнении изготовляют самопишущие ва­куумметры и мановакуумметры.

На рис. 13.9 показаны принципиальные схемы сильфонных приборов с электрическим и пневматическим преобразователями. Принцип действия их аналогичен приборам, показанным на рис. 13.4.обеспечивает также защиту от выброса измеряемой среды в атмосферу при разрушении мембраны 3, охватывающей рычаг 4 вывода штока 2 из полости рабочего давления, что особенно важно при измерении расхода агрессивных, токсичных и взры­воопасных сред.

Преобразование перепада давлений в унифицированный пнев­матический сигнал аналогично рассмотренному выше.

МАНОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Действие приборов основано на изменении электрического сопротивления проводника под действием внешнего избыточного давления. Электрическими проводниками принципиально могут служить любые металлы и сплавы, а также полупроводники. Однако для использования в манометрах сопротивления наиболее подходящим материалом является манганин, так как он обладает малым температурным коэффициентом электрического сопротив­ления. Недостаток манганина заключается в малой зависимости электрического сопротивления от давления (малый пьезокоэффи- циент).

Если обозначать электрическое сопротивление проводника, подвергающегося действию давления, через R, изменение сопро­тивления через ДR, а давление через р, то изменение сопротив­ления будет соответствовать линейному закону

где k — пьезокоэффициент, величина которого зависит от ма­териала проводника, см²/Н.

Из этого соотношения следует, что k = ARl(Rp).

Значения пьезокоэфсрициента различны не только для разных материалов, но и даже для одного и того же материала. Для ман­ганина k = (2... 2,5)-КГ⁷ см²/Н.

Малая величина пьезокоэффициента обусловливает целесооб­разность применения манганиновых манометров только для изме­рения высоких и сверхвысоких давлений. Одна из конструкций манганинового манометра показана на рис. 15.1. Воспринима­ющей частью является однослойная катушка 1 диаметром 8 мм из манганиновой проволоки диаметром 0,05 мм, намотанной бифилярно. Сопротивление катушки 180—200 Ом. Один конец обмотки катушки припаян к гайке 2, другой — к медному стер­жню 3. Стержень проходит через канал в гайке. Центральное положение стержня в канале обеспечивают эбонитовые втулки 4 и 5. Уплотнение стержня выполнено из фибровых и резиновых колец 6, сжатых гайкой 7. Гайка 2 ввернута в корпус 8, снаб­женный ниппелем для присоединения к аппарату или трубопро­воду, в котором измеряется давление.