Деформационные манометры

Принцип действия деформационных манометров основан на

упругой деформации чувствительных элементов под действием из-

меряемого давления. Благодаря высокой точности, простоте конструк-

ции, надежности и низкой стоимости деформационные манометры

получили широкое распространение в промышленности для измере-

ния давления, разрежения и разности давлений. Они выпускаются

показывающими, регистрирующими и могут оснащаться преобразо-

вателями в унифицированный сигнал измерительной информации

для дистанционной передачи показаний.

В качестве чувствительных элементов в деформационных мано-

метрах применяют трубчатые пружины, сильфоны и мембраны.

Трубчатая пружина (манометрическая пружина, или трубка Бурдо-

на) представляет собой упругую криволинейную металлическую по-

лую трубку, один конец которой имеет возможность перемещаться,

а другой жестко закреплен (рис. 5.1, а). Трубка в свободном состоянии

в сечении имеет форму эллипса (разрезЛ—А на рис. 5.1, б). При по-

вышении давления внутри трубки она начинает раскручиваться. Это

связано с тем, что под действием давления трубка «округляется», т.е.

малая ось эллипса увеличивается, в то время как длина пружины

остается неизменной.

Под действием измеряемого давления Ртм трубка Бурдона дефор-

мируется в поперечном сечении, принимая форму, изображенную на

рис. 5.1, б пунктиром. Продольные волокна элемента пружины рас-

тягиваются наиболее значительно у малой полуоси. В продольных

волокнах наружного радиуса трубки Бурдона будет возникать рас-

тяжение, а в волокнах внутреннего радиуса — сжатие. Вследствие того

что волокна стремятся сохранить свою первоначальную длину, труб-

ка Бурдона будет разгибаться. При этом свободный конец трубки

совершит некоторое линейное перемещение λ. Кривизна трубки

уменьшится на угол ∆у = у – у₁ , а малая ось эллипса увеличится на АЬ.

С учетом неизменности длины пружины можно записать

Это выражение представляет собой уравнение шкалы манометра с

трубчатой пружиной. Трубчатый манометр тем чувствительнее, чем

больше радиус кривизны R трубки и чем меньше толщина 5 ее стенок.

Чувствительность пружины Бурдона, а также ее жесткость в сильной

степени зависят от отношения а/b осей поперечного сечения и формы

сечения (массы металла) вблизи концов большой оси. Пружина круг-

лого сечения практически нечувствительна к давлению, так как ее

поперечное сечение не деформируется при воздействии давления.

Манометр с трубчатой пружиной (рис. 5.1, в) состоит из труб-

чатой пружины 1, один конец которой впаян в отверстие держателя

2, а другой конец наглухо запаян и несет на себе тягу 3. Полость

пружины связана с измеряемой средой через канал в держателе.

Перемещение свободного конца пружины передается зубчатому сек-

тору 4 и шестерне 5, на оси которой насажена стрелка 6 прибора для

отсчета показаний на шкале 7. Прибор устанавливается на техноло-

гическом объекте с помощью штуцера 8. Верхний предел измерения

таких манометров 103 МПа.

Сильфом представляет собой тонкостенную трубку с кольцевыми

гофрами на боковой поверхности. Его упругость определяется мате-

риалом и толщиной стенки, числом гофр и их кривизной. Сильфоны

изготавливают из бронзы, нержавеющей стали и т.д. Схема сильфон-

ного дифманометра показана на рис. 5.2.

Под действием разности давлений сильфон 1, расположенный в

плюсовой камере дифманометра, сжимается, и кремнийорганическая

жидкость, заполняющая внутреннюю полость сильфона 1, частично

вытесняется во внутреннюю полость сильфона 2, находящегося в

минусовой камере дифманометра. При этом перемещается шток 3,

жестко соединенный с дном сильфона 2. Со штоком соединен конец

рычага 4, на который насажена стрелка прибора 5 для отсчета по-

казаний по шкале 6. Для увеличения жесткости сильфонов внутри

них могут быть установлены винтовые пружины.

Сильфоны более чувствительны к изменению давления, чем труб-

чатые пружины. Поэтому сильфонные манометры применяют для

измерения сравнительно небольших разрежений и давлений.

В сильфонных манометрах суммарная жесткость пружины и силь-

фона Км определяется как

где К„ — жесткость пружины; Кс — жесткость одного гофра; п — чис-

ло гофр.

Противодействующее усилие Fnp, создаваемое пружиной и силь-

фоном при их сжатии на величину h, равно

Верхний предел измерений сильфонных манометров 0,4 МПа.

Сильфоны также применяются в качестве гибких соединений

трубопроводов, компенсаторов температурных удлинений, упругих

разделителей сред и т. п.

Мембраны (или пластинчатые пружины) представляют собой

гибкие плоские или гофрированные диски, способные получать

прогиб под действием давления. Статическая характеристика пло-

ских мембран изменяется нелинейно с увеличением давления, по-

этому в качестве рабочего участка используют небольшую часть

возможного хода. Гофрированные мембраны могут применяться при

больших прогибах, чем плоские, так как имеют значительно мень-

шую нелинейность характеристики. При этом чем больше глубина

гофр, тем линейность статической характеристики выше. Различают

упругие и эластичные мембраны. У п р у г и е мембраны выполняют-

ся из стали, бронзы, латуни и др. Э л а с т и ч н ы е мембраны изго-

тавливаются из прорезиненной ткани, тефлона и т. п. и предназна-

чены для измерения малых давлений и разности давлений. Для уве-

личения перестановочного усилия и уменьшения нелинейности

характеристики применяют эластичные мембраны с жестким цен-

тром, представляющим собой два металлических диска, закрепленных

с двух сторон на мембране.

В мембранном манометре (рис. 5.3) мембрана 1 зажимается или

приваривается по краю между двумя фланцами 2. Давление, действую-

щее на мембрану, вызывает ее прогиб, в результате которого изогнутый

шток 3 совершает вертикальное перемещение. Перемещение штока

передается зубчатому сектору 4 и шестерне 5, на оси которой насажена

стрелка 6 прибора для отсчета показаний по шкале 7. Прибор устанав-

ливается на технологическом объекте с помощью штуцера 8.

В результате кольцеобразного крепления мембраны менее вос-

приимчивы к вибрациям по сравнению с трубчатыми пружинами,

однако погрешность показаний при изменениях температуры у них

больше. Благодаря опорам для мембран достигается повышенная

стойкость к перегрузкам. Покрытия или фольга, наносимые на по-

верхность мембран, обеспечивают защиту от коррозийных измеряе-

мых сред. Широкие соединительные отвер-

стия или открытые соединительные фланцы,

а также возможности по промывке делают

мембраны особенно пригодными при работе

с высоковязкими, загрязненными или кри-

сталлизующимися веществами.

При необходимости получения большого

прогиба мембраны соединяются в так назы-

ваемые мембранные коробки, а также блоки,

Рис. 5.3. Мембранный манометр:

1 — гофрированная мембрана; 2 — фланцы; 3 — шток;

4 — зубчатый сектор; 5 — шестерня; 6 — стрелка; 7 —

шкала; 8— штуцер; Р — измеряемое давление__

собранные из нескольких коробок. Манометры с мембранной короб-

кой особенно пригодны для измерений давления газообразных сред.

При измерении атмосферного давления получили распространение

гофрированные мембранные коробки, из внутренней полости кото-

рых удален воздух.

Верхний предел измерений мембранных манометров 2,5 МПа.