УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК G01L7/04 

Устройство для измерения давления относится к области приборостроения, в частности к устройствам для измерения давления текущих сред, в которых в качестве первичного преобразователя давления используются элементы, чувствительные к давлению упругой среды, а именно, к измерителям давления с силовой компенсацией с трубчатой манометрической пружиной в качестве упругого чувствительного элемента (УЧЭ).

В таких устройствах действие давления на УЧЭ вызывает его деформацию, которая в наибольшей степени проявляется в одной точке в виде ее перемещения. С этой точки и снимается перемещение, которое передается на преобразователь перемещения узла рассогласования. Узел рассогласования начинает вырабатывать сигнал, пропорциональный перемещению, который непосредственно или через усилитель передается на механизм обратной связи. Механизм обратной связи в свою очередь вырабатывает усилие, возвращающее точку съема перемещения с УЧЭ в первоначальное положение. В этом случае ограничения перемещения УЧЭ развивает тяговое усилие. Статическое равновесие при конкретной величине действующего давления достигается, когда уравновешивается действие тягового усилия и усилия обратной связи. В этом состоянии выходным параметром устройства является сигнал, передаваемый на механизм обратной связи. Выходным параметром УЧЭ является тяговое усилие. Сама же точка съема перемещения остается практически неподвижной, поскольку требуется очень небольшое перемещение, чтобы начать отработку усилия обратной связи. Это обстоятельство способствует улучшению условий работы УЧЭ: в условиях силовой компенсации в УЧЭ напряжения в несколько раз меньше, чем при свободном перемещении точки съема. Однако это же обстоятельство предъявляет особые требования к конструктивному исполнению всего устройства, что особенно важно, имея в виду, что при действии давления (особенно при измерении высокого давления) УЧЭ развивает большие усилия, действующие на опоры и рычажную систему. Для обеспечения точности измерительного устройства деформации всех элементов конструкции, включая и корпусные детали, не должны превышать допустимые величины.

Осуществление этого условия не вызывает затруднений в измерителях давления компенсационного типа, использующих в качестве УЧЭ осесимметричные оболочки: мембраны и сильфоны, поскольку направление тягового усилия совпадает с осью оболочки (см. например, Агейкин Д.И., Костина Е.Н., Кузнецова Н.Н. "Датчики систем автоматического контроля и регулирования". Справочные материалы. Гос. научно-техническое издательство машиностроительной литературы. Москва, 1959 г., стр. 469-473, стр. 484-487, стр. 503). Однако мембранные и сильфонные УЧЭ не всегда могут быть использованы, учитывая особенности их работы.

Наиболее близким к предложенному является измеритель давления компенсационного типа с пружиной Бурдона (см. например, "Приборостроение и средства автоматики". Справочник, т. 2, книга 1, изд-во "Машиностроение", 1964 г., стр. 91).

Устройство компенсационного типа для измерения давления, принятое за прототип (фиг. 1), содержит упругий чувствительный элемент в виде пружины Бурдона, состоящей из трубчатой манометрической пружины 1 и штуцера 2, узел рассогласования 3, усилитель 4 сигнала, вырабатываемого узлом рассогласования и идущего к механизму обратной связи 5, и коромысло 6, с помощью которого на узел рассогласования передается перемещение, а тяговое усилие пружины уравновешивается усилием, развиваемым механизмом обратной связи. Известно, что центральная ось пружин Бурдона представляет собой дугу окружности с центральным углом γ = 200-270^o, а штуцер имеет строгую ориентацию: его ось совпадает с главной осью пружины О-О. Положение неподвижного конца пружины, соединенного со штуцером, определяется конструкцией и размерами штуцера, размерами сечения пружины и конструктивными особенностями всего измерительного устройства. Место съема перемещения (тягового усилия) УЧЭ, осуществляемого через арматуру, выбирается произвольно и определяется лишь конструктивными особенностями измерительного устройства. Направление действия тягового усилия, развиваемого трубчатой пружиной Бурдона Q_тп, и тягового усилия УЧЭ - Q_т расположено под углом к направлению оси штуцера, поэтому эффективной оказывается только часть от Q_т, а именно та ее составляющая, направление которой совпадает с направлением тяги. Вторая же, горизонтальная составляющая тягового усилия, при измерении больших давлений достигающая значительной величины, является паразитной и вызывает деформации деталей устройства. Кроме того, такое направление действия усилия создает условие для действия дополнительного момента, воздействующего на детали устройства. При малых величинах перемещения конца трубчатой пружины, необходимых для отработки усилия обратной связи, наличие деформации деталей может привести к большой погрешности устройства.

Как следует из изложенного выше, актуальной остается задача обеспечения точности устройства для измерения давления методом силовой компенсации.

В предложенном устройстве (фиг. 2) эта задача решается путем передачи всего развиваемого трубчатой пружиной тягового усилия в направлении оси штуцера. Достигается это путем выделения из общей длины пружины ее рабочей части, строгой ориентации рабочей части в пространстве относительно оси штуцера и путем определенного расположения точки съема перемещения (тягового усилия). Рабочая часть длины трубчатой манометрической пружины - эта та ее часть, которая непосредственно участвует в образовании перемещения и тягового усилия. Характеризуется она наличием кривизны центральной оси и поперечного сечения, форма которого отлична от формы поперечного сечения круглой трубы. В рабочую часть длины трубчатой пружины не входят участки, трансформированные с целью обеспечения крепления ее со штуцером или арматурой (пайка, сварка, сплющивание, переходные гайки и т.п.).

Рабочую длину трубчатой пружины выбирают таким образом, что плоскости поперечных сечений, ограничивающие рабочую длину, образуют между собой центральный угол 270-290^o. Плоскость поперечного сечения начала рабочего участка, находящегося у штуцера, образует с осью штуцера угол φ = 0,6γ-138^o. Соединение второго конца пружины с преобразователем перемещения осуществляется в месте пересечения центральной оси пружины с плоскостью поперечного сечения конца рабочей части. Оно может также осуществляться в любой точке, расположенной на направлении, параллельном оси штуцера и проходящем через точку пересечения центральной оси пружины с плоскостью поперечного сечения конца рабочей части длины пружины.

Изобретение поясняется чертежами, где
на фиг. 1 представлена принципиальная схема известного измерителя давления компенсационного типа с трубкой Бурдона;
на фиг. 2 - принципиальная схема предложенного устройства компенсационного типа с одновитковой трубчатой пружиной;
на фиг. 3 - зависимость углов Q_о и ψ, определяющих положения начала и конца рабочей части длины трубчатой пружины соответственно и обеспечивающих направление действия тягового усилия Q_т в направлении оси штуцера, а также коэффициента от величины центрального угла γ. (q_r и q_t характеризуют соответственно величины радиальной и касательной составляющих тягового усилия).

На фиг. 2 обозначены:
1 - трубчатая манометрическая пружина;
2 - штуцер;
3 - узел рассогласования;
4 - усилитель;
5 - механизм обратной связи;
6 - коромысло.

Предлагаемое устройство содержит все элементы известного устройства, отличие между ними состоит в выделении рабочей части длины трубчатой манометрической пружины, определенной ориентации начала и конца рабочей части, а также положения точки съема перемещения (тягового усилия).

Оказалось, что задача получения направления действия тягового усилия, параллельного оси штуцера, может быть решена за счет выбора начального и конечного положения рабочей части трубчатой пружины.

Решение задачи вытекает из условия равенства угла ψ между направлением полного усилия Q_тп и его касательной составляющей Q_t углу между второй главной осью пружины (перпендикулярной оси штуцера) и радиусом R, соединяющим конец рабочей части пружины с ее центром. При этом первая главная ось параллельна оси штуцера.

Величина угла ψ зависит от величины центрального угла γ. График этой зависимости приведен в книге Андреевой Л.Е. "Упругие элементы приборов". М., Машиностроение, 1981 г. стр. 337 на фиг. 3б. На графике фиг. 3 приведена зависимость угла Q_o = 360^o-(γ+ψ), образованного второй главной осью и радиусом R, соединяющим сечение начала трубчатой пружины с центром (см. фиг. 3а). Таким образом, каждой заданной величине центрального угла γ соответствуют вполне определенные величины углов ψ и Q_о, обеспечивающие направление действия тягового усилия, параллельное оси штуцера.

Рассмотрим саму величину развиваемого трубчатой пружиной тягового усилия. Известно, что она прямо пропорциональна величине коэффициента касательная q_t и радиальная q_r составляющие которого приведены в вышеупомянутой книге Андреевой Л.Е. в зависимости от центрального угла γ на стр. 345.

Для анализа тягового усилия потребовалось подсчитать величину коэффициента при различных значениях центрального угла γ и построить график зависимости Этот график приведен на фиг. 3в.

Анализ зависимостей на графике фиг. 3 показывает, что при увеличении центрального угла γ до значения γ = 260^o величина коэффициента а следовательно и Q_т, резко уменьшается, а при γ ≥ 270^o величины этого коэффициента и тягового усилия остаются практически неизменными. Таким образом зона изменения угла γ ≥ 270^o дает самое устойчивое по величине тягового усилия состояние работы манометрической трубчатой пружины. Эта зона соответствует и наибольшей чувствительности по перемещению, что также является немаловажным обстоятельством, поскольку чувствительность по перемещению определяет и порог отработки усилия обратной связи.

С другой стороны, реализация конструкции устройства при больших значениях γ вызывает затруднения. Исходя из вышеизложенного, а также из условия наибольшей эффективности использования длины трубчатой пружины целесообразно выделить из всей зоны изменения участок γ = 270-290^o. В пределах этого интервала изменения центрального угла γ функции Q_о и ψ могут быть трубчатой пружины, целесообразно выделить из всей зоны изменения γ участок γ = 270-290^o. В пределах этого интервала изменения центрального угла γ функции Q_о и ψ могут быть линеаризованы и выражены зависимостями:
ψ = -0,4γ+132^o
тогда Q_o = 228^o-0,6γ
(здесь γ выражается в градусах).

Однако задание положений рабочей части трубчатой манометрической пружины через углы Q_o и ψ неудобно, т.к. они разделяются воображаемой осью, перпендикулярной главной оси OO. При реализации конструкции требуется более конкретное изображение положении. Поскольку, как правило, конструкция измерительного устройства ориентируется относительно оси штуцера, целесообразно и положение рабочей части пружины ориентировать относительно оси штуцера.

Тогда достаточно задаться лишь функцией угла φ между осью штуцера и поперечным сечением начала рабочей части длины трубчатой манометрической пружины. Выбрав конкретное значение γ для конструкции, следует, определить для нее значение φ из выражения:
φ = 90-Q_o = 0,6γ-138^o
При этом, чтобы избежать возникновения дополнительного момента от тягового усилия УЧЭ, необходимо съем перемещения (тягового усилия) осуществлять или непосредственно с поперечного сечения конца рабочей части или же с любой точки, лежащей на направлении развиваемого тягового усилия.

Подставив в формулу рекомендуемый диапазон изменения γ = 270-290^o, получим диапазон соответствующих ему величин угла φ = 25-35^o.
Если угол φ будет выходить за эти пределы, то в устройстве будут действовать составляющие тягового усилия в направлении, перпендикулярном оси штуцера; при этом разное положение /больше или меньше/ величины угла по отношению к диапазону определяют направление действия усилия /влево или вправо/.

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к измерителям давления с силовой компенсацией с трубчатой манометрической пружиной в качестве упругого чувствительного элемента. Для обеспечения точности измерения давления методом силовой компенсации рабочую длину трубчатой пружины выбирают таким образом, что плоскости поперечных сечений, ограничивающие рабочую длину, образуют между собой центральный угол 270 - 290^o, плоскость поперечного сечения начала рабочего участка, находящегося у штуцера, образует с осью штуцера угол φ = 25-35^°. Соединение второго конца пружины с преобразователем перемещения осуществляется в месте пересечения центральной оси пружины с плоскостью поперечного сечения конца рабочей части. Оно может также осуществляться в любой точке, расположенной в направлении, параллельном оси штуцера и проходящем через точку пересечения центральной оси пружины с плоскостью поперечного сечения конца рабочей части длины пружины. Такое выполнение позволяет повысить точность измерения давления методом силовой компенсации. 3 ил.

Устройство для измерения давления методом компенсации, содержащее одновитковую трубчатую манометрическую пружину, один конец которой соединен со штуцером, а другой - с преобразователем перемещения узла рассогласования, отличающееся тем, что рабочую длину трубчатой манометрической пружины выбирают таким образом, что плоскости поперечных сечений, ограничивающие рабочую длину, образуют между собой центральный угол γ = 270-290^°, плоскость поперечного сечения начала рабочего участка, находящегося у штуцера, образует с осью штуцера угол φ = 25-35^°, а соединение другого конца пружины с преобразователем перемещения осуществляется в месте пересечения центральной оси пружины с плоскостью поперечного сечения конца рабочей части.