Основные сведения

 

Давление относится к числу широко распространенных физических величин. В гидравлике, теплотехнике, метеорологии, в других областях науки и техники широко используются измерения давления, разрежения или разности давлений газовых и жидких сред.

Давление характеризует интенсивность нормальных составляющих сил, действующих со стороны одного тела на поверхность другого (рис. 1)

В общем случае давление определяется как предел отношения нормальной составляющей силы dFn к площади dS, на которую действует сила

P = dFn/dS

Если сила перпендикулярна к поверхности (рис.1, б) и ее действие равномерно распределено по ней, то давление определяется соотношением

P = F/S

При неравномерном распределении сил это равенство определяет среднее давление на данную площадь S.

Это соотношение является определяющим уравнением для единицы давления. В Международной системе единиц (СИ), где единицей силы является ньютон (Н) и единицей площади – квадратный метр (м²), единица давления

[P] = 1H/1м² = 1 Н/м²

Единица давления в СИ имеет название «паскаль», присвоенное ей по имени французского ученого В.Паскаля (1623 – 1662) XIY Генеральной конференцией по мерам и весам в 1971 г.

Паскаль (Па), международное обозначение – Pa, равен давлению, вызываемому силой 1 Н, равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1м². Наравне с этой единицей широко используются кратные единицы «килопаскаль» (1кПа = 10³Па), «мегапаскаль» (1МПа = 10⁶Па), «гигапаскаль» (1ГПа = 10⁹Па). В технически обоснованных случаях допускается применение других кратных единиц, например, «декапаскаль» (1даПа = 10Па) и «гектопаскаль» (1гПа = 10²Па).

 

Рис. 1. Действие сил со стороны одного тела на поверхность другого.

Это соотношение является определяющим уравнением для единицы давления. В Международной системе единиц (СИ), где единицей силы является ньютон (Н) и единицей площади – квадратный метр (м²), единица давления

[P] = 1H/1м² = 1 Н/м²

Единица давления в СИ имеет название «паскаль», присвоенное ей по имени французского ученого В.Паскаля (1623 – 1662) XIY Генеральной конференцией по мерам и весам в 1971 г. Паскаль (Па), международное обозначение – Pa, равен давлению, вызываемому силой 1 Н, равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1м². Наравне с этой единицей широко используются кратные единицы «килопаскаль» (1кПа = 10³Па), «мегапаскаль» (1МПа = 10⁶Па), «гигапаскаль» (1ГПа = 10⁹Па). В технически обоснованных случаях допускается применение других кратных единиц, например, «декапаскаль» (1даПа = 10Па) и «гектопаскаль» (1гПа = 10²Па). Для принятых единиц СИ в качестве единиц измерения давления использовались различные единицы. Соотношения между единицами давления, используемыми в различных системах единиц, представлены в табл.1. В технике измерения давления использовалась единица системы МКГСС «килограмм-сила на квадратный метр» - 1 кгс/м². Однако наибольшее применение нашла кратная единица «килограмм-сила на квадратный сантиметр» (1кгс/см² = 10⁴ кгс/м²). В системе МКГСС килограмм-сила – это сила, сообщающая массе международного прототипа килограмма ускорение, равное 9,80665 м/с².

Виды измеряемых давлений. При измерении давления различают атмосферное (барометрическое), абсолютное и относительное давления. Относительное давление может быть избыточным и вакуумметрическим.

Давление, производимое весом столба земной атмосферы, называется атмосферным давлением. Это давление можно измерить. Если взять стеклянную трубку длинной около одного метра, запаянную с одного конца, заполнить ее до краев ртутью, а затем перевернуть и опустить открытым концом в чашку со ртутью, не допуская проникновения внутрь трубки воздуха (рис.2), то уровень ртути в трубке несколько опустится и установится на высоте h, равной около 760 мм, от уровня ртути в чашке. При этом в верхнем запаянном конце трубки образуется пустота. Это значит, что атмосферное давление уравновешивается весом столба ртути высотой около 760 мм. Приборы, измеряющие атмосферное давление, называются барометрами. В связи с этим атмосферное давление часто называют барометрическим давлением, оно имеет переменную величину, зависящую от высоты местности от уровня моря, географической широты и метеорологических условий и может меняться в довольно широких пределах.

Абсолютное и относительное давления. Абсолютным называется давление, отсчитываемое от абсолютного нуля давления. Относительным называется давление, измеренное относительно атмосферного (барометрического) давления. Абсолютное и относительное давления отличаются друг от друга выбором начала отсчета давления.

Рис.2. Схема ртутного барометра

При измерении абсолютного давления (Pa) за начало отсчета принимается абсолютный нуль давлений. За начало (нуль) абсолютного давления принимается давление внутри сосуда после полной откачки из него газов. Давление в космосе, например, близко к абсолютному нулю и не превосходит 10^-12 атмосферного. Примером абсолютного давления может служить атмосферное давление. В основном это давление обусловлено весом слоев атмосферы, находящихся над точкой измерения. Между давлением и высотой над уровнем моря существует зависимость, которая выражается барометрической формулой. В упрощенном виде:

P = e ^{- h / 8}, где

h – высота над уровнем моря, км;

e = 2,718 - основание натурального логарифма.

 

Таблица 1

Соотношение между единицами давления	Соотношение с единицами	атм.	0,987∙10-5	0,969	0,987∙10- 4	0,0013	0,986	0,0986
дин/см2		~9,81∙105	~98,1	~1,33∙103	106		10,13∙105
бар	10-5	0,980665	~9,81∙10-5	~1,33∙10-3		10-6	1,013
мм рт.ст.	~7,5∙10-3	~7,36∙102	~7,36∙10-2		~7,5∙102	~7,5∙10- 4
мм вод.ст.	0,10197	104		~13,6	~1,02∙104	~1,02∙10-2	1,013∙104
Единица	кгс/м2	1,0197∙10-5		10- 4	~1,36∙10-3	~1,02	~1,02∙10-6	1,033
Па		98066,5	9,80665	133,322	105	0,1	1,013∙105
Обозначение	Па	кгс/м2	мм вод.ст.	мм рт.ст.	бар	дин/см2	атм.
Наименование	Паскаль	Килограмм-сила на квадратный сантиметр	Миллиметр водяного столба	Миллиметр ртутного столба	Бар	Длина на квадратный сантиметр	Атмосфера физическая

 

Согласно барометрической формуле, давление на уровне моря (h = 0) принимается равным единице (P≈;1 ) и падает с ростом высоты по экспоненциальному закону.

При измерении относительного давления за начало отсчета берется атмосферное (барометрическое) давление, величина которого принимается за условный нуль. Величина относительного давления показывает, насколько давление данной среды больше или меньше атмосферного. В связи с этим различают избыточное (превышающее атмосферное) давление и вакуумметрическое (недостающее до атмосферного) давления.

Избыточным давлением Р называют разность между абсолютным давлением Ра, большим атмосферного и атмосферным давлением Рб:

Р = Ра – Рб

Вакуумметрическим давлением Рв называют разность между атмосферным (барометрическим) давлением Рб и абсолютным давлением Ра меньшим атмосферного:

Рв = Рб – Ра

Вакуумметрическое давление является следствием разрежения (вакуума), созданного в каком-либо замкнутом объеме. Разрежение создается либо за счет откачки воздуха из замкнутого объема, напролненого воздухом при атмосферном давлении, либо за счет предоставления этому воздуху возможности расширятся без сообщения с атмосферой.

Зависимости между абсолютным, атмосферным, избыточным и вакуумметрическим давлениями графически представлены на рис.3.

На рисунке (рис.3) отсчет давлений ведется от абсолютного нуля вверх по вертикальной шкале.

Измерение давления осуществляется специальными приборами и основано на уравновешивании измеряемого давления силами, создаваемыми при помощи измерительных приборов.

 

Рис 3. Избыточное и вакуумметрическое давления.

Измерение абсолютного давления производится приборами, называемыми манометрами абсолютного давления. Принцип измерения абсолютного давления показан на рис.4.

К замкнутому сосуду, в котором создано абсолютное давление Ра, присоединяется манометр абсолютного давления, выполненный в виде стеклянной изогнутой трубки. Правое колено трубки сверху запаяно и заполнено жидкостью до полного удаления воздуха. Под действием силы веса жидкости и измеряемого абсолютного давления жидкость в трубке опустится и займет некоторое положение, характеризуемое высотой столба h. Так как давление над жидкостью в правом колене практически отсутствует и равно давлению насыщенных паров, которое при обычных температурах ничтожно мало, абсолютное давление внутри сосуда уравновешивается весом столба жидкости в правом колене манометра. Абсолютное давление атмосферы измеряется барометрами, который представляет собой манометр абсолютного давления. Левое колено барометра сообщается с атмосферой.

Манометры абсолютного давления, как это следует из принципа их устройства, требуют применения специальных мер для исключения влияния атмосферного давления, что усложняет их устройство и применение. Абсолютное давление определяется по формулам:

Ра = Р + Рб; Ра = Рб – Рв

Рис. 4. Принципы измерения давления:

а – измерение абсолютного давления; б – измерение атмосферного (барометрического) давления; в – измерение избыточного давления; г – измерение вакуумметрического давления; д – измерение разности давлений.

 

Измерение избыточного и вакуумметрического давлений. Избыточное давление измеряется при помощи манометров избыточного давления. Схема измерения избыточного давления показана на рис.4, в. Манометр представляет собой изогнутую трубку, заполненную на половину жидкостью. Правое колено трубки сообщено с атмосферой, а левое присоединено к сосуду, в котором создано абсолютное давление, больше атмосферного. Следовательно, на жидкость в трубке слева действует абсолютное давление Ра, а справа – атмосферное давление Рб. Разность этих давлений, представляющая собой избыточное давление Р, уравновешивается весом столба жидкости высотой h в правом колене трубки над уровнем ее в левом колене.

Вакуумметрическое давление измеряется при помощи вакуумметров, по устройству подобных манометрам. Схема измерения вакуумметрического давления представлена на рис. 4, г.

Поскольку абсолютное давление в сосуде меньше атмосферного, уровень жидкости в левом колене вакуумметра выше уровня в правом колене, сообщенном с атмосферой. Разность атмосферного давления Рб и абсолютного давления Ра в сосуде, представляющая собой вакуумметрическое давление Рв, уравновешивается весом столба жидкости высотой h в левом колене.

В практике измерения давления применяются приборы, используемые для измерения как избыточного, так и вакуумметрического давления. Такие приборы называются мановакуумметрами

Измерение разности давления. Для измерения перепада давлений служат приборы, называемые дифференциальными манометрами.

Принцип измерения перепада давлений показан (рис.4, д) на примере схемы, применяемой при измерении расхода жидкостей и газов. Дифференциальный манометр подключается к трубопроводу, по которому течет жидкость или газ, так, что одно колено его сообщается с пространством трубопровода до диафрагмы, а другое – после диафрагмы, установленной в потоке жидкости или газа. При протекании жидкости или газа через отверстие диафрагмы возникает перепад давлений на диафрагме. Разность давлений ∆Р уравновешивается весом столба жидкости высотой h в правом колене. При этом высота столба жидкости в трубке прибора определяется разностью давлений Р₁ - Р₂ и не зависит от величины каждого из этих давлений.

Измерение статистического и полного давлений. Движущиеся жидкости и газы, находящиеся под давлением, оказывают давление на стенки сосуда, в котором они заключены (рис.5)

Рис. 5. Статическое и динамическое давление.

Давление, производимое жидкостями и газами на стенки сосуда, в котором они находятся или движутся, называется статическим давлением.

В движущихся средах при набегании жидкости или газа на препятствие, расположенное перпендикулярно к направлению потока, кинетическая энергия единицы объема движущегося тела проявляет себя как давление, дополнительно оказываемое на препятствие. Это давление называется динамическим давлением или скоростным напором. При умеренных скоростях движения среды величина динамического давления определяется по формуле

Р_д = w² γ / 2g,

где w – скорость движения среды;

γ; – удельный вес движущейся среды;

g – ускорение силы тяжести.

Полное давление Рп движущейся среды на препятствие складывается из статического давления Рст и динамического давления Рд:

Рп = Рст + Рд.

При определении давления движущихся жидкостей и газов в зависимости от способа отбора давления при подключении измерительного прибора может быть измерено статическое или полное давление движущейся среды.

Изображенные на рис.6 измерительные приборы в зависимости от способа отбора давления показывают статическое давление (1) или полное давление (11) движущейся среды.

Рис.6. Измерение статического (1) и полного (11) давления

движущейся среды.

При измерении статического давления прибор должен быть подключен так, чтобы исключить возможность возникновения динамического давления в месте отбора давления. Полное давление движущихся жидкостей и газов измеряется при специальных исследованиях.

Классификация приборов для измерения давления и разрежения. По виду измеряемого давления различают приборы избыточного и абсолютного давления. Приборы избыточного давления используются для измерения давления, большего или меньшего по сравнению с давлением окружающего атмосферного воздуха. К числу таких приборов относятся:манометры; вакуумметры; мановакуумметры; напоромеры; тягомеры; тягонапоромеры.

К манометрам относят приборы, служащие для измерения избыточного давления, обычно с верхним пределом измерения от 60 кПа (0,6 кгс/см²) до 1000 МПа (10 000 кгс/см²).

С помощью вакуумметров измеряют вакуумметрические давления до 100 кПа (1 кгс/см²). Мановакуумметры являются манометрами как избыточного, так и вакуумметрического давления и используются для измерения избыточного давления от 60 кПа (0,6 кгс/см²) до 2,4 МПа (24 кгс/см²) и вакуумметрического давления до 100 кПа (1кгс/см²).

Напоромерами называют манометры малых избыточных давлений, значение которых не превышает 40 кПа (0,4 кгс/см²).

Тягомеры – макуумметры с верхним пределом измерений, не превышающим 40 кПа (0,4 кгс/см²).

Тягонапоромеры представляют собой мановакуумметры для газовых сред с верхними пределами, не превышающими 20 кПа (0,2 кгс/см²).

Для измерения разности двух давлений, ни одно из которых не является давлением окружающей среды, применяются дифференциальные манометры (дифманометры). Дифманометры с верхним пределом измерения не более 40 кПа (0,4 кгс/см²) называют микроманометрами.

К приборам абсолютного давления относят барометры и жидкостные манометры.

По принципу действия, т.е. в зависимости от принципа, используемого для преобразования силового воздействия давления на чувствительный элемент в показания или пропорциональные измерения другой физической величины, средства измерения давления и разрежения подразделяют (ГОСТ 8.271–77) на: жидкостные; грузопоршневые; деформационные; электрические; тепловые; вязкостные; кольцевые.

Обозначение некоторых типов манометров приведено в табл. 2.

 

Таблица 2

Тип манометра

Обозначение

Манометры трубчато – пружинные с одновитковой пружинной с многовитковой пружиной с многовитковой пружиной самопищущей электроконтактный с дифференциально – трансформаторным преобразователем с дифференциально – трансформаторным преобразователем с унифицированным токовым выходным сигналом то же с компенсацией магнитных потоков то же с силовой компесацией пневматический   Манометры сильфонные и дифманометры манометр показывающий (самопищущий ) мановакуумметр вакуумметр показывающий (самопищущий) дифманометр показывающий (самопищущий) напоромер показывающий (самопищущий) тягомер показывающий (самопищущий) тягонапоромер показывающий (самопищущий) Манометры жидкостные микроманометр жидкостный с наклонной измерительной трубкой микроманометр жидкостный компенсационный дифманометр жидкостный поплавковый

МТ МТМ МТС ЭКМ МЭД   МП МПЭ МП-Э МП-П     МСП (МСС) МВСС ВСП (ВСС) ДСП (ДСС) НСП (НСС) ТмСП (ТмСС) ТНСП (ТНСС)     ММН ММ ДП

 

К жидкостным относят приборы, основанные на гидростатическом принципе действия, в которых измеряемое давление уравновешивается весом столба рабочей жидкости, его высота которого служит мерой измеряемого давления. Значение давления определяется непосредственно или путем проведения расчетов. Разновидностями жидкостных приборов являются ртутный барометр, двухтрубный (U – образный) жидкостный манометр, однотрубный манометр, компрессионный манометр, микроманометры и др.

В зависимости от вида измеряемого давления жидкостные приборы разделяются на манометры, вакуумметры и мановакуумметры. Разновидностью микроманометров (при измерении давлений менее 100 кгс/см²) являются тягомеры, напоромеры и тягонапоромеры, которыми измеряют малые величины избыточных и вакуумметрических давлений в топочных и вентиляционных устройствах. В качестве рабочих жидкостей применяются различные химически однородные вещества, различающиеся по удельному весу (ртуть, вода, керосин, этиловый спирт, четыреххлористый углерод). Рабочая жидкость выбирается в зависимости от предела измерения приборов и от свойств измеряемой среды.

Грузопоршневые манометры. Принцип действия грузопоршневых манометров основан на уравновешивании давления под поршнем, находящимся в цилиндре, весом поршня и накладывемых на него грузов. Мерой измеряемого этими манометрами давления является вес грузов, действующих на поршень с известной площадью. В грузопоршневых манометрах используются неуплотненные поршни. Неуплотненный поршень не имеет каких-либо механических уплотненных устройств (манжет, колец). Уплотнение его в цилиндре достигается тщательной обработкой и пришлифовкой к цилиндру, так что зазор не превышает нескольких микрон. Пришлифовка выполняется для того, чтобы во избежание пропуска жидкости был минимальный зазор и в тоже время обеспечивался свободный ход поршня. Поршень несет на себе грузоприемное устройство (тарелку), на котором могут размещаться грузы. Через отверстие в нижней части в цилиндр подается под давлением жидкость. Рабочими жидкостями, передающими давление в грузопоршневых манометрах, являются минеральные масла и другие жидкости с достаточной вязкостью, обладающие смазывающими свойствами. Герметизация зазора между поршнем и цилиндром происходит за счет возникновения силы тренич внутри жидкости, заполняющей зазор. Она тем лучше, чем равномернее и меньше этот зазор, чем длиннее часть поршня, опущенная в цилиндр. И чем больше площадь сечения поршня.

В состоянии равновесия давление жидкости уравновешивается силой тяжести поршня, тарелки и грузов, поршень будет находиться как бы во взвешенном состоянии (покоиться своим торцем на жидкости). Вследствие малости зазора между цилиндром и поршнем скорость опускания поршня из-за утечки рабочей жидкости будет мала (порядка 1 мм/мин). При недостатке давления относительно груза поршень будет опускаться вниз, а при избытке давления на поршень будет действовать сила, поднимающая его вверх. Несмотря на тщательное центрирование, добиться строгого приложения нагрузки по оси поршня не всегда удается, вследствие чего возникает непосредственный контакт между поршнем и цилиндром. То есть возникает трение. Для устранения трения применяют свободное или принудительное вращение поршня. Этим достигается равномерность заполнения жидкостью зазора. Равновесному положению поршня должно соответствовать равенство сил, приложенных к нему. С одной стороны, это силы, соответствующие измеряемому давлению, а с другой – силы, обусловленные весом поршня и грузов, а также вертикальная составляющая сил жидкостного трения, приложенная к поршню. Тогда измеряемое давление

Часто от этой формулы переходят к формуле

где - площадь поперечного сечения поршня;

- эффективная (приведенная) площадь поршня, получаемая из условия замены жидкостных сил трения увеличением площади сечения поршня на половину площади зазора.

а – радиус цилиндра;

в – радиус цилиндра

Эффективную (приведенную) площадь поршня легко определить экспериментально или расчетным путем.

Сила G воспроизводится посредством веса груза, поршня и тарелки.

где - масса поршня, грузоподъемного устройства и груза;

- ускорение свободного падения.

По виду поршня различают системы с простым поршнем и системы с дифференциальным поршнем. Простым называют не уплотненный поршень в виде прямого цилиндрического стержня постоянного диаметра. Дифференциальный поршень представляет собой ступенчатую шкалу (два различных диаметра), тщательно пригнанную к соответствующим каналам цилиндра. Различают одинарные и двойные дифференциальные поршни. Применение дифференциальных поршней позволяет получить малую приведенную площадь, равную разности площадей поршней большого и малого диаметров. Благодаря этому диапазон измеряемых давлений существенно расширяется. Поршневые системы классифицируются также по принципу уравновешенности поршня. В таких приборах поршень до начала измерения уравновешивают соответствующим противовесом (столбом жидкости), что позволяет проводить измерения, начиная с самых малых значений измеряемой величины.

В деформационных манометрах используется принцип действия, основанный на зависимости деформации чувствительного элемента или развиваемой им силы от измеряемого давления. Указанная деформация или сила преобразуется в показания или соответствующие изменения выходного сигнала.

К числу чувствительных элементов, осуществляющих преобразование давления в пропорциональное перемещение рабочей точки, относится: трубчатые пружины, сильфоны; мембраны. В зависимости от типа упругого чувствительного элемента различают трубчато – пружинные (пружинные), сильфонные и мембранные деформационные манометры.

Деформационные манометры охватывают широкий диапазон измерений от 100Па до 1000МПа с погрешностью измерений от 0,15 до 6% (классов точности 0,15; 0,25; 0,4; 0,5; 0,6; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0; 6,0).

Электрические манометры – приборы, в которых используется изменение электрических свойств материалов при воздействии на них измеряемого давления. Мерой измеряемого давления служит текущее значение тех или иных электрических величин, измеряемых соответствующим способом. К этой группе относятся проволочные тензоманометры, пьезоэлектрические, емкостные, индуктивные, ионизационные, радиоактивные и др.

Принцип действия тепловых манометров основан на зависимости теплопроводности разреженного газа от давления. Тепловые манометры используются для измерения давления в диапазоне от 1 до 10⁴Па.

Вязкостные манометры – приборы, принцип действия которых основан на зависимости разреженного газа от измеряемого давления. Степень вязкости газа определяется в таких манометрах по движению в нем твердого тела.

Кольцевыми манометрами называются дифференциальные манометры, в которых измеряемая разность давлений определяется по углу поворота кольцевого корпуса или по моменту силы, создаваемому подвешенным к корпусу грузом.

К средствам измерения давления и разрежения относят также датчики давления, представляющие собой измерительные преобразователи давления жидкости или газа в электрический, пневматический или другого вида выходной сигнал, а также сигнализаторы давления – средства контроля, начинающие или прекращающие выдавать выходной сигнал при достижении заданного давления.

Рабочие приборы для измерения давления. Рабочие манометры, вакуумметры и мановакуумметры предназначены для непосредственного измерения давления и не связанны с передачей размера единиц другим средствам измерений.

Рабочие манометры измеряют избыточное давление, т.е. разность между абсолютным и атмосферным (барометрическим) давлениями. При помощи рабочих вакуумметров измеряют вакуумметрическое давление – разность между атмосферным и абсолютным давлениями, когда абсолютное давление меньше атмосферного.

Рабочие мановакуумметры позволяют измерять и избыточное и вакуумметрическое давление.

По принципу действия рабочие приборы для измерения давления делятся на трубчато – пружинные (пружинные) и жидкостные.

Жидкостные манометры являются наиболее простыми и точными приборами. Они применяются в качестве:

- напоромеров для измерения избыточного давления воздуха и неагрессивных газов до 700 мм вод. ст. (7000 Па) и 735 мм рт. ст. (0,1 МПа);

- тягомеров для измерения разрежения газовых сред до 700 мм вод. ст. (7000 Па);

- вакуумметров для измерения вакуума (разрежения) до 760 мм рт.ст. (0.101 МПа);

- дифманометров для измерения разности давлений неагрессивных газов, находящихся под давлением, близким к атмосферному, до 700 мм вод. Ст. (7000 Па) и неагрессивных жидкостей, газов и паров, находящихся под давлением более 1 кгс/см² (0,1 МПа) до 700 мм рт. ст. (0,09 МПа).

Наибольшее распространение получили пружинные приборы.

Принцип действия пружинных приборов основан на том, что измеряемое давление уравновешивается силами упругости пружинных чувствительных элементов, величина деформации которых находится в известной устойчивой зависимости от величины измеряемого давления.

Пружинные манометры обладают свойствами: портативность, простота устройства и применения, надежность действия, удобство при использовании, широкий диапазон измерения, невысокая стоимость.

В качестве пружинных чувствительных элементов применяют:

- трубчатые пружины;

- пластинчатые пружины (мембраны);

- сильфонные пружины (сильфоны).

Основные типы элементов представлены на рис. 7.

Трубчатые пружины бывают одновитковые (рис. 7, а) и винтовые (многовинтовые) (рис. 7, б). Винтовые трубчатые пружины называют еще геликоидальными. Пластинчатые пружины применяются либо в виде упругой мембраны (рис. 7, в), либо в виде манометрической мембранной коробки (рис. 7, г), либо в виде блока мембранных коробок (рис. 7, д). Разновидностью мембран является неупругая мембрана (рис. 7, е), работающая совместно с дополнительной пружиной. Сильфоном называют цилиндрическую гармоникообразную пружину (рис. 7, ж). Иногда сильфоны для повышения жесткости снабжаются винтовой пружиной (рис. 7, з).

Пружинные чувствительные элементы являются основным узлом прибора, так как при работе они осуществляют преобразование измеряемого давления в перемещение указателя, подвижной части датчика. От их свойств зависят такие важные характеристики приборов, как величина погрешности, чувствительность и стабильность показаний.

Полая одновитковая или многовитковая трубчатая пружина некруглого симметричного сечения изогнута по дуге окружности с центральным углом закрутки γ = 180 - 270º у одновитковых (рис. 8, а) или по винтовой линии у многовитковых пружин (рис. 7, б), так что большая ось поперечного сечения располагалась перпендикулярно к плоскости изгиба трубки (рис. 8, а).

 

Рис. 7. Типы пружинных чувствительных элементов:

а – одновинтовая трубчатая пружина; б – многовинтовая (винтовая) трубчатая пружина; в – упругая мембрана; г – манометрическая мембранная коробка; д - блок манометрических мембранных коробок; е – неупругая (мягкая) мембрана; ж – сильфон; з – сильфон с пружиной.

Неподвижный конец трубки впаивается в полый держатель, который оканчивается резьбовым штуцером для присоединения к источнику измеряемого давления, а свободный конец трубки через передаточный механизм связывается с указателем или с подвижной частью датчика прибора (рис. 7, а и б).

Рис. 8.Схема и формы сечения одновитковых трубчатых пружин:

а – схема одновитковой трубчатой пружины; б – сечение фигурной формы; в – сечение эллиптической формы; г – сечение овальной формы; д – сечение плоско – овальной формы; е – трубчатая пружина круглого поперечного сечения

 

Сечения трубчатых пружин могут быть эллиптической (рис. 8, в), овальной (рис. 8, г), плоско – овальной (рис. 8, д) и фигурной (рис. 8 б) формы. Для измерения высоких давлений (от 1000 кгс/см² и выше)применяются толстостенные трубчатые пружины круглого поперечного сечения (рис. 8, е). Они имеют канал, ось которого смещена относительно оси пружины в сторону центра ее кривизны. Благодаря эксцентриситету е канала избыточное давление на заглушку свободного конца пружины создает момент, вызывающий распрямление, т.е. уменьшение кривизны трубки и перемещение ее свободного конца.

Если через заделанный конец трубки некруглого поперечного сечения (рис. 8, а) в ее полость подать избыточное давление или создать в ней разрежение, то трубка будет изменять свою кривизну, т.е. раскручиваться или закручиваться. Причиной раскручивания или закручивания трубчатой пружины является изменение формы поперечного сечения трубки под действием измеряемого давления. Если в трубке некруглого сечения создать избыточное давление или разрежение, то в первом случае трубка начнет раздуваться, округляться, а во втором случае – сплющиваться. При этом размеры большой и малой осей поперечного сечения будут изменяться. Это и вызывает появление усилий, которые заставляют изогнутую трубку или закручиваться или раскручиваться.

Для подтверждения сказанного будем полагать, что при наличии избыточного давления внутри трубки малая ось ее сечения увеличивается, а при разрежении – уменьшается. Полагаем также, что при деформации длина трубки остается неизменной (рис.8, рис.9). Обозначим:

γ; – центральный угол трубки (первоначальный угол закрутки);

r – внутренний радиус трубки;

R – внешний радиус трубки;

а – большая ось сечения трубки;

в – малая ось сечения трубки.

После деформации эти величины примут значения: γ’, r’, R’, а’, в’.

Для случая нагружения трубки избыточным давлением из условия неизменности длины трубки до и после деформации следует, что ее наружная часть так же, как и внутренняя, сохраняет первоначальную длину. Тогда:

R γ = R' γ' и r γ = r' γ'.

Вычитая из первого равенства второе, получим:

(R – r) γ = (R' - r') γ'.

Заменив разности радиусов значениями малой оси сечения до и после деформации будем иметь: R – r = в, а R' - r' = в', то в γ = в 'γ' (1) Так как в рассматриваемом случае согласно условию в' > в, то γ' < γ;. Из этого выражения следует, что если поперечный размер трубки увеличивается, то для сохранения длины трубки ее центральный угол γ должен уменьшиться, т.е. трубка должна разогнуться.

Рис. 9 Схема одновитковой трубчатой пружины.

Если принять, что малая ось сечения и угол закрутки после деформации соответственно равны:

в' = в + ∆в

γ' = γ - ∆ γ то, подставив эти значения в уравнение (1) получим:

в γ = (в + ∆ в) (γ - ∆)γ Решая это равенство относительно ∆γ;, получим, что . (2)

Полученное соотношение устанавливает качественную сторону работы трубки. Из выражения (2) видно, что изменение угла закрутки прямо пропорционально увеличению малой оси сечения и первоначальному углу закрутки трубки и обратно пропорционально величине малой оси сечения трубки. Выражение (2) получено в предположении, что длина трубки сохраняется неизменной при наличии и отсутствии давления, что является упрощением. На самом деле на стенки трубки действуют силы, растягивающие внешнюю стенку и сжимающие внутреннюю, а силы упругости будут уменьшать полученную без учета их действия величину деформации ∆ в, т.е. реально необходимо учитывать свойства материала, из которого изготовлена трубка.

Для случая, когда в трубке создано разрежение, то малая ось сечения трубки будет уменьшаться, т.е. величина ∆ в будет отрицательной, тогда величина ∆ γ; тоже будет отрицательной:

Из этого следует, что угол закрутки после деформации будет больше первоначального, кривизна трубки увеличится и, следовательно, трубка под действием вакуумметрического давления будет закручиваться.

Получение теоретических зависимостей деформаций и внутренних напряжений от давления Р, от свойств материала и от размеров трубчатых пружин является сложной задачей. Трубки манометров изготовляют из медных сплавов для сравнительно небольших давлений (до 50 кгс/см²) или из стали – для большого давления.

Перемещение свободного конца трубки под влиянием максимального давления невелико и обычно составляет единицы миллиметров. Для повышения чувствительности прибора манометры снабжают передаточными механизмами.

В деформационных манометрах используется два вида передаточного механизма: секторный и рычажный. В случае, когда от манометра не требуется большой чувствительности и точности или когда прибор предназначен для применения в помещении, где не подвергается сотрясениям, применяется рычажный передаточный механизм. Схема такого механизма приведена на рис. 10 а.

а б

Рис. 10.

а - схема рычажного передаточного механизма;

б - смещения оси стрелки относительно центра циферблата

 

Рычажный передаточный механизм состоит из оси 1, на которую насаживается стрелка, и рычажка 2, соединяемого с поводком 3, который идет к трубке манометра (рис.10, а). При раскручивании трубки поводок тянет за собой рычажок,