Теоретические основы измерения давления

В международной системе единиц за единицу давления принят Паскаль (Па) — давление, которое испытывает 1м² плоской поверхности под действием равномерно распределенной, перпендикулярной к этой поверхности силы в 1Н.

1 кгс/см² ~ 1*10^-5 Па

Наиболее распространенными средствами измерения давления являются манометры (рис. 19).

Рис. 19 — Общий вид манометра

В качестве упругих деформационных чувствительных элементов в приборах давления используются мембраны, мембранные коробки, сильфоны и трубчатые пружины (рис. 20).

Рис. 20 — Чувствительные элементы манометров: а — плоские мембраны;

 б — гофрированные мембраны; в — неметаллические мембраны; г — сильфон; д — трубчатые пружины; е — пружины Бурдона эллиптического сечения; ж, з — пружины Бурдона плоскоовального сечения; и — одновитковые трубчатые пружины с эксцентричным каналом.

Плоские мембраны (рис. 20а), изготавливаемые из стали и бронзы, представляют собой круглые тонкостенные пластины постоянной толщины. Под действием измеряемого давления Р_изм мембранная пластина прогибается. Приборы этого типа обладают малой инерционностью и позволяют измерять переменное давление с частотой до сотен герц. Прогиб мембраны дифференциально-трансформаторным преобразователем (ДТП) преобразуется в электрический сигнал U_вых.

Гофрировка поверхности мембраны в виде кольцевых волн значительно повышает ее надежность и спрямляет характеристику мембраны. В дифманометрах применяются мембранные коробки образованные двумя спаянными гофрированными мембранами (рис. 20б).

В приборах давления, измеряющих малые давления и разность давлений (тягомерах, дифманометрах) применяют неметаллические (вялые) мембраны (рис. 20в). Эти мембраны изготовляют из специальной сетчатой ткани (капрона, шелка), покрытой бензомаслостойкой резиной или пластмассой. Характеристики вялых мембран снимают экспериментально, т. к. рассчитать их не удается. Для повышения жесткости вялых мембран применяют пружины.

Сильфон представляет собой тонкостенную трубку с поперечной гофрировкой (рис. 20г). Сильфоны применяют в приборах для измерения вакууметрического давления до 1кгс/см² (0,1 МПа), избыточного давления до 600 кгс/см² и разности давлений до 2,5 кгс/см² (0,25 МПа). При работе на сжатие сильфоны выдерживают давление в 1,5–2раза больше, чем при воздействии давления изнутри. Статическая характеристика сильфонов линейна в небольших диапазонах перемещений.

Трубчатые пружины чаще всего выполняются в виде одновитковых, центральная ось которых представляет собой дугу окружности с центральным углом, равным 200–2700 (рис. 20д). Наиболее широкое применение получили пружины Бурдона эллиптического (рис. 20е) и плоскоовального (рис. 20 ж, з) сечения. Большая ось 2а поперечного сечения располо­жена перпендикулярно радиусу кривизны R_к центральной оси (среднему радиусу) пружины. Один конец пружины Бурдона закрепляется неподвижно, а другой — свободный, закрытый пробкой и запаянный — соединяют с механизмом прибора, — стрелочным указателем или преобразователем.

Тонкостенные пружины Бурдона (рис. 20е) применяют в приборах для измерения вакууметрического давления до 1 кгс/см2 (0,1 МПа) и избыточного давления до 60 кгс/см2 (6 МПа). Для измерения избыточного давления до 200–1600 кгс/см2 (20-160 МПа) применяют толстостенные пружины овального сечения (рис. 10ж). Для измерения сверхвысокого давления до 10000 кгс/см2 (1000 МПа) и выше применяют одновитковые трубчатые пружины с эксцентричным каналом (рис. 20и).

Под действием измеряемого давления Ризм пружина Бурдона деформируется в поперечном сечении, принимая форму, изображенную на рис. 9е пунктиром. Продольные волокна элемента пружин растягиваются наиболее значительно у малой полуоси. В продольных волокнах наружного радиуса трубки Бурдона будет возникать растяжение, а в волокнах внутреннего радиуса — сжатие. Вследствие того, что волокна, стремятся сохранить свою первоначальную длину, трубка Бурдона будет разгибаться. При этом свободный конец трубки совершит некоторое линейное перемещение.

Для изготовления мембран, сильфонов и трубчатых пружин необходим материал с высокой упругостью, антикоррозийностью, малой зависимостью параметров от изменения температуры, который также должен хорошо поддаваться технологической обработке, пайке и сварке. Указанным требованиям отвечают бронза, латунь и хромоникелевые сплавы.