Устройство и принцип работы пружинного манометра

Рис. 2.7. Формы сечения одновитковой трубчатой пружины:
а
– эллиптический;
б
– плоскоовальный тонкостенный;
в
– плоскоовальный сдавленный;
г
–плоскоовальный толстостенный;
д
– с экcцентриче- ским каналом;
е
– толстостенная круглая трубка с лыской

Пружина эллиптического сечения отличается повышенной чувствительностью, так как при ее разгибании меньше противодействующих профилей. Такие пружины применяются, большинством производителей, для измерения давлений до 0,1-0,16 МПа, а плоскоовальные – для измерения давления 0,16-6 МПа.
Пружины с плоскоовальным сдавленным профилем (рис. 2.7,в
) отличаются повышенной прочностью и могут применяться для измерения высокого давления.

При изготовлении манометров для измерения более высоких давлений могут использоваться плоскоовальные толстостенные пружины (рис. 2.7,г

), которые, как и плоскоовальные тонкостенные, под действием давления изменяют форму поперечной формы сечения и соответственно радиус изгиба трубчатой пружины.
Для измерения сверхвысокого давления (до 1000 МПа и выше) применяются трубчатые пружины с эксцентрическим каналом (рис. 2.7,д
), предложенные A. Г. Нагаткиным. Ось внутреннего отверстия
d
в таких пружинах смещена относительно оси внешнего диаметра трубы
D
на величину
f
. Изгиб (точнее разгиб) такой пружины происходит из-за эксцентричности распределения сил растяжения в поперечном разрезе профиля. В результате возникает изгибающий момент, который деформирует трубчатую пружину в сторону более толстой стенки. Разновидностью такого типа является трубчатая пружина в виде толстостенной круглой трубки с лыской (рис. 2.7,
е
).
Статическая характеристика пружины Бурдона включает участок пропорциональности, когда изменение положения ее конца зависит от воздействующего давления, и последующий участок остаточной деформации, когда воздействие давления приводит к необратимым изменениям геометрии чувствительного элемента. Предельное рабочее давление трубчатого элемента должно быть в 1,5-2 раза меньше предельного значения пропорциональности для промышленных приборов и в 3-4 раза – для эталонных .
Для участка пропорциональности одной из главных задач при изготовлении трубчатой пружины является достижение идеального вида зависимости изменения хода конца пружины от воздействующего давления. Идеальный вариант – строгая линейность. На практике, к сожалению, существует ряд факторов, которые приводят к отклонению от желаемой зависимости. К таким факторам для пружин плоскоовального профиля относятся: не оптимальный выбор геометрии, не одинаковая толщина стенки по всей длине чувствительного элемента, не однородный химический состав металла, не оптимальный термический режим обработки трубчатой пружины и другие параметры как технологического процесса изготовления непосредственно заготовки (трубки), так и чувствительного элемента.
Технология изготовления чувствительного элемента включает термический отжиг трубки, ее профилирование и изгиб (последние операции могут быть совмещены) и обязательную последующую температурную нормализацию, предназначенную для снятия напряжений после механических деформаций.

Некоторые производители для предотвращения необратимого изменения профиля пружины при предельном давлении устанавливают по внешнему ее радиусу ограничитель предельного разгибания.

Один из основных недостатков трубчато-пружинных приборов – существование остаточных деформаций. Так, при повышении и понижении давления при одном действительном значении давления измеритель будет показывать разные значения. Это объясняется, в значительной мере, наличием гистерезиса, который при работе в ограниченном диапазоне давления по прошествии определенного времени исчезает. Снижение влияния гистерезиса на результат измерения достигается несколькими способами. Наиболее распространенным является выбор металла с наиболее упругими свойствами и оптимального температурного режима обработки как заготовки, так и изогнутой трубчатой пружины.
Известен также способ устранения деформационных последствий посредством обработки чувствительного элемента циклическими нагрузками, так называемым физическим «старением» металла.
Одним из вариантов уменьшения влияния гистерезиса на результат измерения является также изготовление чувствительного элемента в виде многовитковой пружины (рис. 2.8). Наиболее часто применяется такая трубчатая пружина в манометрических приборах для давления выше 6 МПа. Конструктивно чувствительный элемент имеет 1,5 или 2,5 витка. Основными параметрами, оказывающими влияние на упругую характеристику чувствительного элемента (перемещение l свободного конца многовитковой трубчатой пружины), являются толщина стенки и в меньшей степени радиус навивки r
.