МАНОМЕТРИЧЕСКАЯ ПРУЖИНА Российский патент 2003 года по МПК G01L7/04 

Изобретение относится к упругим чувствительным элементам, используемым в приборах для измерения давления, робототехнических системах, а именно работающим в условиях вибраций и в силовом режиме.

Известны различные конструкции манометрических пружин, поперечное сечение которых может быть выполнено разнообразной формы - восьмеркообразной, плоскоовальной, эллиптической [1], сильфонообразной [2], с асимметричным сечением [3], с изменением параметров поперечного сечения вдоль продольной оси пружины [4, 5].

Общим недостатком таких конструкций являются невысокие значения основных характеристик манометрических пружин как упругих чувствительных элементов - чувствительности по давлению, жесткости к действию внешних сил, прочности, вибростойкости.

Известна также многополостная манометрическая пружина, состоящая из двух или более профильных полос, герметично соединенных между собой по всей длине боковых кромок и образующих две или более не сообщающиеся между собой полости [6].

Причиной, препятствующей достижению указанного ниже технического результата, такой конструкции также является сравнительно невысокие значения чувствительности по давлению, прочности, жесткости к действию внешних сил, вибростойкости; недостаточно широкие пределы измерения давлений. Это объясняется тем, что поперечное сечение манометрической пружины образовано герметичным соединением двух или более профильных полос, причем одна из профильных полос в поперечном сечении расположена вдоль большой оси этого сечения, что не позволяет существенным образом повысить жесткость пружины к действию внешних сил, чувствительность и значительно расширить пределы измерений.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка конструкции манометрической пружины, обеспечивающей их надежность и долговечность.

При осуществлении изобретения поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в повышении характеристик манометрических пружин: чувствительности по давлению, жесткости к действию внешних сил, прочности, вибростойкости, а также расширении пределов измерений.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемой манометрической пружине, имеющей составное поперечное сечение, особенностью является то, что поперечное сечение выполнено с образованием двух взаимосвязанных рабочих профилей - внешнего и внутреннего, каждый из указанных рабочих профилей имеет свою рабочую полость, при этом для внешнего рабочего профиля выполнено условие а_н/b_н>1, где а_н - большая полуось внешнего рабочего профиля, b_н - малая полуось внешнего рабочего профиля; для внутреннего рабочего профиля выполнено условие а_в/b_в<1, где а_в - малая полуось внутреннего рабочего профиля, b_в - большая полуось внутреннего рабочего профиля. Внешний и внутренний рабочие профили выполнены одинаковой или разной формы. Внутренний рабочий профиль образован при соединении с помощью пайки или сварки двух полос, форма и размеры которых обеспечивают получение внутреннего рабочего профиля с заданными формой и размерами, при этом паяные или сварные швы расположены на концах его больших полуосей b_в. Внешний рабочий профиль образован при соединении с помощью пайки или сварки двух или четырех полос, форма и размеры которых обеспечивают получение внешнего рабочего профиля с заданными формой и размерами, при этом паяные или сварные швы при образовании из двух полос расположены на концах его малых полуосей b_н, а при соединении их четырех полос - на концах его малых b_н и больших а_н полуосей. Внешний и внутренний рабочие профили выполнены из материалов, обладающих разными физическими и механическими свойствами.

Между техническим результатом изобретения и его существенными признаками существует следующая причинно-следственная связь.

Внешний и внутренний рабочие профили работают совместно, причем деформация каждого из указанных рабочих профилей зависит от соотношения давлений, создаваемых в рабочих полостях каждого из указанных рабочих профилей.

Увеличение чувствительности манометрической пружины обусловлено тем, что при создании в рабочих полостях каждого из рабочих профилей разных давлений можно добиться того, что деформация как внешнего, так и внутреннего рабочих профилей вызовет изменение продольной оси манометрической пружины одного знака: перемещение свободного конца манометрической пружины будет складываться из перемещения, вызванного деформацией внутреннего рабочего профиля, и перемещения, вызванного деформацией внешнего рабочего профиля.

Увеличение жесткости манометрической пружины к действию внешних сил обусловлено следующим. Образование поперечного сечения манометрической пружины из взаимосвязанных внешнего и внутреннего рабочих профилей приводит к значительному увеличению осевых моментов инерции сечения (относительно малой и большой осей поперечного сечения), а также увеличению коэффициента Кармана поперечного сечения из-за: во-первых, наличия внутреннего рабочего профиля; во-вторых, выполнения для внутреннего рабочего профиля условия соотношения его полуосей а_в/b_в<1. В результате увеличения моментов инерции поперечного сечения и увеличения его коэффициента Кармана происходит значительное повышение жесткости манометрической пружины к действию внешних сил.

Наличие и совместная работа взаимосвязанных рабочих профилей обуславливают более равномерное распределение напряжений в стенках указанных рабочих профилей, что приводит к повышению прочности манометрической пружины.

Увеличение жесткости манометрической пружины, ее прочности, а также большая масса манометрической пружины, вовлекаемая в ее колебания, обуславливают значительное повышение вибростойкости пружины.

Расширение диапазона значений измеряемых давлений при измерении избыточного, вакуумметрического давлений, а также при решении задач сложения давлений обусловлено наличием в конструкции манометрической пружины двух рабочих профилей и двух рабочих полостей, а также тем, что деформация каждого из указанных рабочих профилей может вызвать как увеличение кривизны продольной оси пружины, так и ее уменьшение.

Созданием в каждой из рабочих полостей разных давлений можно добиться наибольшего перемещения свободного конца манометрической пружины при измерении избыточного, вакуумметрического давлений, при решении задач сложения давлений. Так, максимальное перемещение свободного конца манометрической пружины при измерении избыточного давления будет происходить при подаче в рабочую полость А жидкости или газа с измеряемым давлением и создании в рабочей полости Б вакуума. Максимальное перемещение свободного конца манометрической пружины при измерении вакуумметрического давления будет иметь место при создании в рабочей полости А давления ниже атмосферного (измеряемого давления), а в рабочей полости Б давления, значительно большего атмосферного.

При решении задач сложения давлений в рабочие полости каждого из рабочих профилей подводится жидкость или газ с разным давлением. В этом случае перемещение свободного конца манометрической пружины определяется соотношением значений давлений в каждой из рабочих полостей, а также отношением атмосферного давления к давлению в рабочей полости А.

На фиг.1 изображен общий вид манометрической пружины, на фиг.2 - вариант образования поперечного сечения пружины, причем как внутренний, так и внешний рабочие профили поперечного сечения образуются путем соединения двух полос заданной формы и размеров, на фиг.3 - вариант образования поперечного сечения пружины, причем внутренний рабочий профиль образуется путем соединения двух полос заданной формы и размеров; внешний рабочий профиль образуется при соединении четырех полос заданной формы и размеров.

Манометрическая пружина 1 имеет продольную ось 2, свободный конец 3, конец 4, закрепленный в держателе 5. Поперечное сечение манометрической пружины 1 выполнено составным и образовано соединением в одну конструкцию двух взаимосвязанных внутреннего 6 и внешнего 7 рабочих профилей одинаковой или разной формы.

Внутренний рабочий профиль 6 образован при соединении двух полос 8 таким образом, что получается рабочая полость Б, при этом заданные форма и размеры полос 8 обеспечивают получение внутреннего рабочего профиля 6 с заданными формой и размерами.

Внешний рабочий профиль 7 образован при соединении двух полос 9 (фиг.2) или четырех полос 10 (фиг.3) таким образом, что получается рабочая полость А, при этом заданные форма и размеры полос 9 или полос 10 обеспечивают получение внешнего рабочего профиля 7 с заданными формой и размерами.

Внутренний рабочий профиль 6 имеет большую полуось b_в и малую полуось а_в, отношение осей определено условием а_в/b_в<1.

Внешний рабочий профиль 7 имеет большую полуось а_н, и малую полуось b_н, отношение осей определено условием а_н/b_н>1.

Образование внутреннего рабочего профиля 6 осуществляется из двух полос 8 с заданными формами и размерами при помощи пайки или сварки. При этом паяные или сварные швы 11 расположены на концах больших полуосей b_в внутреннего рабочего профиля.

Образование внешнего рабочего профиля 7 также осуществляется с помощью пайки или сварки. При этом внешний рабочий профиль может быть образован соединением двух полос 9 с заданными формой и размерами (см. фиг.2), при котором паяные или сварные швы 11 расположены на концах малых полуосей b_н внешнего рабочего профиля, или соединением четырех полос 10 с заданными формой и размерами, при котором паяные или сварные швы 11 расположены на концах малых полуосей b_н и больших полуосей а_н (см. фиг.3) внешнего рабочего профиля.

Манометрическая пружина работает следующим образом. При измерении избыточного давления в рабочей полости Б (см. фиг.2 и фиг.3) создается давление, равное атмосферному или ниже атмосферного. Жидкость с измеряемым давлением подводится в рабочую полость А. В результате этого внешний рабочий профиль 7 искривляется, стремясь к окружности, его малая ось b_н увеличивается, а его большая ось а_н уменьшается. Такая деформация внешнего рабочего профиля 7 приводит к уменьшению кривизны продольной оси 2 манометрической пружины 1. Относительно внутреннего рабочего профиля 6 давление в рабочей полости А является внешним и стремится сжать внутренний рабочий профиль 6, в результате чего его большая ось b_в увеличивается, а его малая ось а_в уменьшается. Такая деформация внутреннего рабочего профиля 6 также приводит к уменьшению кривизны продольной оси 2 манометрической пружины 1. Общее перемещение свободного конца 3 манометрической пружины 1 складывается из перемещения, вызванного деформацией внешнего рабочего профиля 7, и перемещения, вызванного деформацией внутреннего рабочего профиля 6.

При измерении вакуумметрического давления в рабочую полость А подается жидкость или газ с измеряемым давлением. В рабочей полости Б создается избыточное давление. В результате воздействия избыточного давления на внутренний рабочий профиль 6 его малая ось а_в увеличивается, а его большая ось b_в уменьшается. Такая деформация внутреннего рабочего профиля 6 приводит к увеличению кривизны продольной оси 2 манометрической пружины 1. У внешнего рабочего профиля 7 под действием вакуумметрического давления в рабочей полости А и атмосферного давления малая ось b_н будет уменьшаться, а его большая ось a_н увеличиваться, что также приведет к увеличению кривизны продольной оси 2 манометрической пружины 1. Общее перемещение свободного конца 3, как и при измерении избыточного давления, определится как сумма перемещения, вызванного деформацией внешнего рабочего профиля 7, и перемещения, вызванного деформацией внутреннего рабочего профиля 6.

При решении задач сложения давлений в рабочую полость А и в рабочую полость Б подводится жидкость или газ с разным давлением. В этом случае перемещение свободного конца 3 зависит от величины и знака деформации каждого из рабочих профилей, что в свою очередь зависит от отношений давлений в рабочих полостях А и Б, а также отношения атмосферного давления к давлению в рабочей полости А.

Внутренний и внешний рабочие профили могут быть выполнены из материалов, обладающих разными физическими и механическими свойствами, в частности технология изготовления допускает применять в качестве материала пружины сталь. Для образования целостной конструкции используется сварка или пайка.

Таким образом, конструктивное выполнение поперечного сечения манометрической пружины с образованием двух взаимосвязанных рабочих профилей, каждый из которых имеет свою рабочую полость, позволяет достичь повышения характеристик манометрических пружин, увеличивая тем самым надежность и долговечность их работы, особенно в условиях вибраций и в силовом режиме.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Андреева Л.Е. Упругие элементы приборов. - М.: Машгиз, 1962.

2. А.С. 444958 СССР, кл. G 01 L 7/04, опубл. 30.09.74, бюллетень 36.

3. А.С. 403977 СССР, кл. G 01 L 7/04, опубл. 26.10.73, бюллетень 43.

4. Патент 2111465 РФ, МПК G 01 L 7/04, опубл. 20.05.98.

5. Патент 2093805 РФ, МПК G 01 L 7/04, опубл. 20.10.97.

6. А.С. 118009 СССР, кл. 42к, 8, заявлено 03.02.58 г. (прототип).

Изобретение относится к упругим чувствительным элементам, используемым в приборах для измерения давления, робототехнических системах, особенно работающим в условиях вибраций и в силовом режиме. Манометрическая пружина выполняется составной, причем в ее поперечном сечении образуются два рабочих профиля - внутренний и внешний. Каждый из указанных рабочих профилей имеет свою рабочую полость. При этом для внешнего рабочего профиля выполнено условие а_н/b_н>1, где a_н - большая полуось внешнего рабочего профиля, b_н - малая полуось внешнего рабочего профиля, для внутреннего рабочего профиля выполнено условие а_в/b_в<1, где а_в - малая полуось внутреннего рабочего профиля, b_в - большая полуось внутреннего рабочего профиля. Внешний рабочий профиль образуется при соединении двух или четырех полос заданной формы и размеров таким образом, что возникает рабочая полость А. Внутренний рабочий профиль образуется при соединении двух полос заданной формы и размеров таким образом, что возникает рабочая полость Б. При работе манометрической пружины в каждой из рабочих полостей создается определенное давление. Рабочие профили работают совместно, характер их деформирования и деформации пружины в целом зависит от значений давления в каждой из рабочих полостей. Техническим результатом изобретения является повышение характеристик манометрических пружин: чувствительности по давлению, жесткости к действию внешних сил, прочности, вибростойкости, а также расширение пределов измерений. 6 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Манометрическая пружина, имеющая составное поперечное сечение, отличающаяся тем, что указанное поперечное сечение выполнено с образованием двух взаимосвязанных рабочих профилей - внешнего и внутреннего, каждый из указанных рабочих профилей имеет свою рабочую полость, при этом для внешнего рабочего профиля выполнено условие а_н/b_н>1, где а_н - большая полуось внешнего рабочего профиля, b_н - малая полуось внешнего рабочего профиля, а для внутреннего рабочего профиля выполнено условие а_в/b_в<1, где а_в - малая полуось внутреннего рабочего профиля, b_в - большая полуось внутреннего рабочего профиля. 2. Манометрическая пружина по п. 1, отличающаяся тем, что указанные внутренний и внешний рабочие профили выполнены одинаковой или разной формы. 3. Манометрическая пружина по п. 1, отличающаяся тем, что указанный внутренний рабочий профиль образован при соединении с помощью пайки или сварки двух полос, форма и размеры которых обеспечивают получение поперечного сечения манометрической пружины с заданными формой и размерами. 4. Манометрическая пружина по п. 3, отличающаяся тем, что паяные или сварные швы расположены на концах больших полуосей b_в внутреннего рабочего профиля. 5. Манометрическая пружина по п. 1, отличающаяся тем, что указанный внешний рабочий профиль образован при соединении двух или четырех полос, форма и размеры которых обеспечивают получение внешнего рабочего профиля с заданными формой и размерами. 6. Манометрическая пружина по п. 5, отличающаяся тем, что паяные или сварные швы при образовании внешнего рабочего профиля из двух полос расположены на концах малых полуосей b_н, или при образовании внешнего рабочего профиля из четырех полос - на концах малых полуосей b_н и больших полуосей а_н. 7. Манометрическая пружина по п. 1, отличающаяся тем, что как внутренний, так и внешний рабочие профили выполнены из материалов, обладающих разными физическими и механическими свойствами.