ПОВЫШЕНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАНОМЕТРИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ

АННОТАЦИЯ

Широкое использование манометрических приборов в различных отраслях для измерения разности давлений, температуры и расхода сохраняет актуальной задачу повышения характеристик чувствительных элементов таких приборов. Повышение характеристик может быть достигнуто в результате образования составного чувствительного элемента, который будет состоять из нескольких упругих частей. При этом каждая такая часть должна иметь присущие только ей характеристики и работать в ограниченном интервале изменения разности давлений. Благодаря этому повышаются метрологические характеристики манометрического прибора в целом.

Ключевые слова: упругий чувствительный элемент, надежность, точность, пределы измерений манометрических приборов, конструкции мембранных чувствительных элементов.

В настоящее время в строительстве, машиностроении, нефтяной и газовой промышленности, в других отраслях широко используются манометрические приборы, с помощью которых производят измерение избыточного, вакуумметрического давления, разности давлений, а также температуры и объемного расхода газовых и жидкостных сред [3]. Основным элементом таких приборов является чувствительный элемент – сильфон, мембрана, манометрическая трубка, который непосредственно воспринимает разность давлений измеряемой среды и под ее действием деформируется. Полученная деформация пропорциональна разности давлений, и таким образом, является первичным сигналом, который далее, в зависимости от конструкции прибора, передается через кинематический механизм на механическое отсчетной устройство, либо при помощи емкостных, индуктивных датчиков или пьэзоэлементов преобразуется в электрический сигнал, усиливается и передается на электронное отсчетное устройство [2].

Таким образом, характеристики самого чувствительного элемента – чувствительность, жесткость к действию реактивных сил, прочность полностью определяют характеристики прибора – точность, надежность, пределы измерений. В связи с этим остается актуальной задача усовершенствования конструкции чувствительных элементов и повышения их характеристик. Известны разнообразные конструкции чувствительных элементов [2,4,5], в которых улучшение характеристик достигалось за счет применения более сложной формы, использования материалов с разными упругими и прочностными свойствами. Характерной чертой таких конструкций является проектирование геометрии элемента, определение свойств его материала с учетом последующей работы в заданном интервале изменения давления.

Принципиальное повышение характеристик чувствительных элементов, на наш взгляд, может быть достигнуто в результате образования чувствительного элемента из нескольких частей, каждая из которых имеет существенно отличающиеся характеристики и работает в ограниченном интервале изменения давления. При этом под действием текущего давления работает только определенная упругая часть чувствительного элемента, другие части уже исключены из работы или еще не воспринимают действующее давление. Таким образом, чувствительный элемент должен быть составным, с последовательным включением частей в работу.

Среди известных конструкций чувствительных элементов составным является мембранный элемент [1]. Этот элемент должен содержать, по меньшей мере, две профилированные мембраны, и отличается от других конструкций тем, что в нем мембраны герметично соединены с жестким центром, причем между поверхностями мембран образуется зазор и при этом профиль мембран выполняется гофрированным. В результате, при работе элемента каждая последующая мембрана образует упор для вершины гофра предыдущей, что, по мнению автора [1], повышает устойчивость к действию перегрузочных давлений.

Недостатком такой конструкции является герметичное соединение мембран с жестким центром и их жесткое защемление по наружному контуру в корпусе прибора. В результате при воздействии давления все мембраны, входящие в мембранный чувствительный элемент, деформируются во всем интервале измеряемого давления. Это не позволяет существенно увеличить чувствительность мембранного элемента и расширить пределы измерений манометрического прибора.

Увеличение чувствительности упругого чувствительного элемента и расширение пределов измерений манометрических приборов может быть достигнуто в следующей конструкции составного мембранного элемента.

Мембранный чувствительный элемент (показан на рис. 1) состоит, по меньшей мере, из двух расположенных соосно мембран, при этом жесткости мембран связаны условием

 .                                                                                                             (1)

Первая мембрана является центральной и имеет жесткий центр, по контуру герметично соединена со своим подвижным основанием, которое имеет жесткий профилированный упор. Вторая мембрана в центре имеет отверстие и по контуру этого отверстия герметично соединена с основанием центральной мембраны, при этом по наружному контуру герметично соединена со своим основанием, которое также снабжено жестким профилированным упором. К жесткому центру центральной мембраны жестко прикреплен шток, который свободно проходит через центральные отверстия в основаниях всех мембран. Повышение характеристик для такой конструкции элемента обусловлено следующим.

Рисунок 1. Составной мембранный чувствительный элемент

Известно, что для измерения давления применяются мембраны, у которых размеры изменяются в широком интервале значений – диаметр мембран может составлять от 10…15 мм до 200…300 мм, толщина мембран изменяется от 0,06 до 1,5 мм, при этом для присоединения мембраны к корпусу прибора или соединения мембран между собой, например, при образовании мембранной коробки, может применяться пайка или сварка. Это обуславливает возможность конструктивного исполнения, предлагаемого составного мембранного элемента.

Кроме того, установлено [2], что, изменяя размеры мембраны, ее материал, а для гофрированных мембран - форму профиля и размеры профиля, можно добиться изменения характеристик мембран – чувствительности, жесткости, прочности в очень широком интервале значений. При этом верхний предел измерения манометрического прибора ограничен деформацией мембраны, при которой она может разрушиться или потеряет свои метрологические свойства.

Известны манометрические приборы [2], которые для защиты мембраны от наступления предельного состояния снабжены профилированными упорами. В таких приборах, при действии на мембрану предельной разности давлений, мембрана, деформируясь, опирается на жесткий профилированный упор, профиль которого совпадает с профилем деформированной срединной поверхности мембраны, вследствие чего дальнейшая деформация мембраны и потеря мембраной метрологических свойств или ее разрушение становятся невозможными.

Мембраны в рассматриваемом мембранном элементе соединены таким образом, что разность давлений действует одновременно на все мембраны. Под разностью давлений все мембраны деформируются, при этом полное перемещение штока, связанного с кинематической системой прибора или с системой преобразования сигнала, является суммой перемещений центра мембранного элемента, каждое из которых вызвано деформацией одной из мембран:

,                                                                                                           (2)

где  - полное перемещение штока,

 – перемещение центра мембранного элемента, вызванное деформацией первой мембраны,

 - перемещение центра мембранного элемента, вызванное деформацией второй мембраны,

 - перемещение центра мембранного элемента, вызванное деформацией n-ой мембраны.

Так как жесткости мембран связаны условием (1), то мембрана с жесткостью  получает значительные деформации при изменении разности давлений  от нуля до значения , мембрана с жесткостью  получает значительные деформации при изменении разности давлений  от значения  до значения , мембрана с жесткостью  получает значительные деформации при изменении разности давлений  от значения  до значения .

Значения разности давлений , ,  являются предельными соответственно для первой, второй, n-ой мембраны.

При увеличении разности давлений деформация каждой из мембран ограничена жестким профилированным упором, благодаря чему, при превышении предельной для этой мембраны разности давлений ее дальнейшая деформация, а значит и наступление ее предельного состояния становятся невозможными (мембрана выключается из работы). При этом возможно дальнейшее увеличение разности давлений, действующее на весь мембранный элемент. Это позволяет, изменяя число мембран и подбирая их жесткости, существенно расширить пределы измерения давления.

Выполнение для жесткостей мембран условия (1), а также наличие для каждой мембраны жесткого профилированного упора означает ступенчатую работу мембранного элемента, при этом количество ступеней соответствует числу мембран, входящих в мембранный элемент.

При измерении давления на первой ступени - при изменении разности давлений  от нуля до значения , чувствительность мембранного элемента  определяется выражением (рассматриваем общий случай определения чувствительности при нелинейной характеристике элемента):

 ,                                                                                                           (3)

где  – чувствительность мембранного элемента на первой ступени,

 – перемещение центра мембранного элемента, вызванное деформацией мембраны с жесткостью .

В формуле (3), учитывая выражение (2) принято , вследствие малости величин , , …, , которая объясняется выполнением условия (1).

При измерении давления на второй ступени - при изменении разности давлений  от значения  до значения , чувствительность мембранного элемента  будет определяться выражением

 ,                                                                                                           (4)

где  – чувствительность мембранного элемента на второй ступени,

 - перемещение центра мембранного элемента, вызванное деформацией мембраны с жесткостью .

В формуле (4) принято , вследствие малости величин , …, , которая объясняется выполнением условия (1), а также тем, что перемещение центра мембранного элемента, вызванное максимальной деформацией мембраны с жесткостью  - , является для второй ступени величиной постоянной.

При измерении давления на n-ой ступени - при изменении разности давлений  от значения  до значения , чувствительность мембранного элемента  будет определяться выражением

 ,                                                                                                          (5)

где  – чувствительность мембранного элемента на n-ой ступени,

 - перемещение центра мембранного элемента, вызванное деформацией мембраны с жесткостью .

В формуле (5) принято

,

вследствие того, что перемещения центра мембранного элемента, вызванные максимальной деформацией мембран с жесткостями , , …,    - соответственно  ,  , …,  являются для n-ой ступени величинами постоянными.

Конструкция элемента позволяет подобрать мембраны так, что наряду с выполнением условия (1), также будет выполнено условие

.

Это означает, что чувствительность всего мембранного элемента будет определяться чувствительностью первой мембраны, которая благодаря ее малой жесткости будет высокой. Таким образом, подбирая жесткости мембран, входящих в мембранный элемент, можно существенно увеличить чувствительность мембранного элемента в целом.

Описанная конструкция чувствительного элемента состоит из мембран, однако никаких конструктивных или технологических препятствий для применения вместо мембран других типов упругих элементов, например, сильфонов, нет. В результате применения составных конструкций упругих элементов могут быть существенно повышены характеристики манометрических приборов.

Список литературы:

1. А.С. 932310 SU, МПК 3 G 01 L 7/08, опубл. 30.05.82, бюллетень №20.
2. Андреева Л.Е. Упругие элементы приборов. – 2 изд., перераб. и доп. – М: Машиностроение, 1981. – 392 с.
3. Андреева Л.Е. Упругие элементы приборов. – М.: Машгиз, 1962. – 456 с.
4. Пономарев С.Д., Андреева Л.Е. Расчет упругих элементов машин и приборов. – М.: Машиностроение, 1980. – 326 с.
5. Справочник технолога-приборостроителя: В 2-х т. – 2-е изд., перераб. и доп. Т.2 / Под ред. Е.А. Скороходова. – М.: Машиностроение, 1980. – 463 с.