МАНОМЕТРИЧЕСКАЯ ПРУЖИНА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2004 года по МПК G01L7/04 

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

В настоящее время известны различные конструкции манометрических пружин, поперечное сечение которых может быть выполнено различной 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 сообщающихся между собой полостей [6].

Недостатком такой пружины также являются сравнительно невысокие значения чувствительности по давлению, прочности, жесткости к действию внешних сил, вибростойкости; недостаточно широкие пределы измерения давлений. Это объясняется конструкцией манометрической пружины, в которой одна из профильных полос в поперечном сечении пружины расположена вдоль большой оси поперечного сечения, что оказывает отрицательное влияние на указанные характеристики манометрической пружины.

Задача изобретения - увеличение надежности и долговечности манометрических пружин.

Техническим результатом изобретения является повышение характеристик манометрических пружин: чувствительности по давлению, жесткости к действию внешних сил, вибростойкости, а также расширение пределов измерений.

Поставленный технический результат достигается тем, что поперечное сечение манометрической пружины выполнено составным, с образованием двух взаимосвязанных рабочих профилей - внешнего и внутреннего.

Каждый из указанных рабочих профилей имеет свою рабочую полость, при этом внутренний рабочий профиль имеет сильфонообразную форму, причем его гофры расположены вдоль вертикальной оси симметрии поперечного сечения и для них выполнено условие h_в>c_в, где h_в - высота гофра внутреннего рабочего профиля, c_в - ширина гофра внутреннего рабочего профиля. Внешний рабочий профиль имеет эллиптическую форму и при этом для него выполнено условие а_н>b_н, где a_н - большая полуось внешнего рабочего профиля, b_н - малая полуось внешнего рабочего профиля.

Поставленный технический результат также может быть достигнут, если внешний рабочий профиль имеет плоскоовальную или восьмеркообразную форму, при этом для него выполнено условие а_н>b_н, где а_н - большая полуось внешнего рабочего профиля, b_н - малая полуось внешнего рабочего профиля.

Технический результат изобретения достигается также в том случае, если внешний рабочий профиль имеет сильфонообразную форму, но при этом его гофры расположены вдоль горизонтальной оси симметрии поперечного сечения и для них выполнено уcловие b_н<c_н, где b_н - высота гофра внешнего рабочего профиля, c_н - ширина гофра внешнего рабочего профиля.

Поставленный технический результат может быть достигнут при выполнении внутреннего и внешнего рабочих профилей из материалов, обладающих разными механическими свойствами.

Технический результат может быть достигнут также в том случае, если внутренний рабочий профиль образован при герметичном соединении двух гофрированных полос, причем гофры каждой из полос имеют треугольную форму и взаимное расположение, позволяющее при деформации внутреннего рабочего профиля вершинам гофр одной из гофрированных полос входить в полости гофр другой гофрированной полосы.

Для герметичного внешнего и внутреннего рабочих профилей при образовании целостной конструкции манометрической пружины может использоваться сварка или пайка.

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

Внешний и внутренний рабочие профили манометрической пружины работают совместно, причем деформация рабочих профилей зависит от соотношения давлений, создаваемых в рабочих полостях каждого из указанных рабочих профилей. Деформация указанных рабочих профилей также зависит от их формы и механических свойств материалов, из которых они выполнены.

Деформации каждого из рабочих профилей обладают взаимным влиянием, и определяют характер деформации поперечного сечения, а следовательно, и перемещение свободного конца манометрической пружины.

Увеличение чувствительности манометрической пружины объясняется следующим. Создание в рабочей полости внешнего рабочего профиля давления большего, чем давление, создаваемое в рабочей полости внутреннего рабочего профиля, вызывает деформацию внутреннего рабочего профиля, при которой его большая ось уменьшается, а его малая ось изменяется незначительно и существенного влияния на деформацию пружины в целом не оказывает. В то же время избыточное давление в рабочей полости внешнего рабочего профиля вызывает такую деформацию этого рабочего профиля, при которой его большая ось уменьшается, а его малая ось увеличивается.

Совместная деформация внешнего и внутреннего рабочих профилей, при которой их большие полуоси уменьшаются, причем малая полуось внутреннего рабочего профиля изменяется незначительно, приводит к значительному увеличению малой полуоси внешнего рабочего профиля и тем самым к увеличению чувствительности манометрической пружины.

Увеличение жесткости манометрической пружины к действию внешних сил обусловлено следующим. Введение в конструкцию пружины внутреннего рабочего профиля сильфонообразной форомы, у которого гофры расположены вдоль вертикальной оси симметрии и высота гофр больше, чем их ширина, приводит к значительному повышению момента инерции поперечного сечения, а также увеличению коэффициента Кармана поперечного сечения пружины. В результате увеличения момента инерции и коэффициента Кармана поперечного сечения значительно повышается жесткость манометрической пружины к действию внешних сил.

Увеличение жесткости манометрической пружины к действию внешних сил, а также ее большая масса (вследствие введения внутреннего рабочего профиля), вовлекаемая в колебания при пульсирующем давлении, обуславливают значительное повышение вибростойкости манометрической 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 совместной работой внешнего и внутреннего рабочих профилей.

Созданием в рабочих полостях разных давлений можно добиться наибольшего перемещения свободного конца манометрической пружины - в одной из рабочих полостей создается измеряемое давление, в другой рабочей полости создается вспомогательное давление. Наибольшее перемещение свободного конца манометрической пружины при измерении избыточного давления будет происходить при создании в рабочей полости внутреннего рабочего профиля вакуума, а в рабочей полости внешнего рабочего профиля измеряемого избыточного давления.

Наибольшее перемещение свободного конца манометрической пружины при измерении вакуумметрического давления будет иметь место при создании в рабочей полости внешнего рабочего профиля давления ниже атмосферного (измеряемого давления), а в рабочей полости внутреннего рабочего профиля давления, значительно большего атмосферного.

При решении задач сложения давлений в рабочих полостях каждого из рабочих профилей создается разное по величине давление. В этом случае перемещение свободного конца манометрической пружины определяется отношением давления в рабочей полости внешнего рабочего профиля к давлению в рабочей полости внутреннего рабочего профиля и отношением давления в рабочей полости внешнего рабочего профиля к атмосферному давлению.

На фиг.1 представлен общий вид манометрической пружины.

На фиг.2 показан вариант исполнения манометрической пружины, при котором внешний рабочий профиль имеет эллиптическую форму.

На фиг.3 показан вариант исполнения манометрической пружины, при котором внешний рабочий профиль имеет плоскоовальную форму.

На фиг.4 показан вариант исполнения манометрической пружины, при котором внешний рабочий профиль имеет восьмеркообразную форму.

На фиг.5 показан вариант исполнения манометрической пружины, при котором внешний рабочий профиль имеет сильфонообразную форму.

На фиг.6 показан вариант исполнения манометрической пружины, при котором внутренний рабочий профиль образуется при соединении двух гофрированных полос, при этом гофры каждой из полос имеют треугольную форму и взаимное расположение, позволяющее вершинам гофр одной из гофрированных полос при деформации внутреннего рабочего профиля входить в полости гофр другой гофрированной полосы.

Манометрическая пружина 1 имеет продольную ось 2, свободный конец 3, конец 4, закрепленный в держателе 5.

Поперечное сечение манометрической пружины 1 выполнено составным с образованием двух взаимосвязанных рабочих профилей - внутреннего 6 и внешнего 7, каждый из которых имеет свою рабочую полость. Внутренний рабочий профиль 6 имеет сильфонообразную форму, при этом его гофры расположены вдоль вертикальной оси симметрии поперечного сечения и для них выполнено условие h_в>c_в, где h_a - высота гофра внутреннего рабочего профиля, c_в - ширина гофра внутреннего рабочего профиля. Внешний рабочий профиль 7 может иметь эллиптическую, плоскоовальную, восьмеркообразную форму и при этом для него выполнено условие а_н>b_н, где а_н - большая полуось внешнего рабочего профиля, b_н - малая полуось внешнего рабочего профиля. Внешний рабочий профиль 7 может иметь также сильфонообразную форму, при этом его гофры расположены вдоль горизонтальной оси симметрии поперечного сечения, причем для гофр этого рабочего профиля выполнено условие b_н<c_н, где h_н - высота гофра внешнего рабочего профиля, c_н - ширина гофра внешнего рабочего профиля.

При соединении внутреннего 6 и внешнего 7 рабочих профилей в единую конструкцию образуется поперечное сечение с двумя рабочими полостями: полостью А - рабочей полостью внешнего рабочего профиля 7, и полостью Б - рабочей полостью внутреннего рабочего профиля 6.

Для герметичного соединения внешнего 7 и внутреннего 6 рабочих профилей при образовании целостной конструкции манометрической пружины 1 может использоваться сварка или пайка.

Внутренний рабочий профиль 6 имеет малую полуось b_в и большую полуось a_в. Внешний рабочий профиль 7 имеет малую полуось b_н и большую полуось а_н.

Манометрическая пружина 1 работает следующим образом.

При измерении избыточного давления в рабочей полости Б (см. фиг.2) создается давление равное или ниже атмосферного. В рабочей полости А создается избыточное (измеряемое) давление. Под действием избыточного давления в рабочей полости А внешний рабочий профиль 7 искривляется, стремясь к окружности, при этом его большая полуось а_н уменьшается, а его малая полуось b_н увеличивается. Под действием разности давлений в рабочих полостях А и Б внутренний рабочий профиль, имеющий сильфонообразную форму, сжимается в направлении горизонтальной оси симметрии поперечного сечения. При этом его большая полуось а_в уменьшается, а его малая полуось незначительно уменьшается или остается прежней по величине. Такая деформация внутреннего рабочего профиля вызывает еще большее уменьшение большой полуоси а_н внешнего рабочего профиля, что приводит к значительному увеличению малой полуоси b_н внешнего рабочего профиля. Вследствие этого кривизна продольной оси 2 манометрической пружины 1 уменьшается и свободный конец 3 получает конечное перемещение.

При измерении вакуумметрического давления в рабочей полости А создается измеряемое давление. В рабочей полости Б создается избыточное давление. Под действием атмосферного давления и вакуумметрического давления в полости А внешний рабочий профиль 7 деформируется: его большая полуось а_н увеличивается, а его малая полуось b_н уменьшается. Под действием разности давлений в рабочих полостях А и Б внутренний рабочий профиль также деформируется. При этом значительное увеличение получает его большая полуось а_в, его малая полуось b_в, вследствие наличия гофр, изменяется незначительно. Такая деформация внутреннего рабочего профиля приводит к еще большему увеличению большой полуоси а_н внешнего рабочего профиля и уменьшению его малой полуоси b_н. В результате такой деформации поперечного сечения пружины 1 кривизна ее продольной оси 2 увеличивается, свободный конец 3 получает конечное перемещение, противоположное направлению, которое получает свободный конец 3 при измерении избыточного давления.

При решении задач сложения давлений в рабочую полость А и в рабочую полость Б подводится жидкость или газ с разным давлением. В этом случае направление и величина перемещения свободного конца 3 пружины 1 зависит от соотношения давлений в рабочих полостях А и Б, а также от отношения атмосферного давления к давлению в рабочей полости А.

Источники информации

1. Андреева Е.Л. Упругие элементы приборов. М.: Машгиз, 1962 г., 455 с.

2. А.С. 444958 СССР, кл. G 01 L 7/04, опубл. 30.09.1974, бюллетень №36.

3. А.С. 443977 СССР, кл. G 01 L 7/04, опубл. 26.10.1973, бюллетень №43.

4. RU 2111465, кл. G 01 L 7/04, опубл. 20.05.98.

5. RU 2093805, кл. G 01 L 7/04, опубл. 20.10.97.

6. А.С. 118009 СССР, кл. 42к, 8, заявлено 03.02.1958 (прототип).

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к упругим чувствительным элементам, и может быть использовано в приборах для измерения давления. Устройство имеет поперечное сечение, образованное из двух взаимосвязанных рабочих профилей - внешнего и внутреннего, причем каждый из профилей имеет свою рабочую полость. Внутренний рабочий профиль имеет сильфонную форму, причем его гофры расположены вдоль вертикальной оси симметрии поперечного сечения и для них выполнено условие h_в>с_в, где h_в - высота гофра внутреннего рабочего профиля, c_в - ширина гофра внутреннего рабочего профиля. Внешний рабочий профиль может иметь эллиптическую, плоскоовальную или восьмеркообразную форму и для него выполнено условие а_н>b_н, где а_н - большая полуось внешнего рабочего профиля, b_н - малая полуось внешнего рабочего профиля. Также внешний рабочий профиль может иметь сильфонообразную форму и его гофры расположены вдоль горизонтальной оси симметрии поперечного сечения и для них выполнено условие h_н<с_н, где h_н - высота гофра внешнего рабочего профиля, с_н - ширина гофра внешнего рабочего профиля. Технический результат заключается в повышении чувствительности манометрической пружины по давлению, жесткости к действию внешних сил, вибростойкости и расширении пределов измерений. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Манометрическая пружина, у которой поперечное сечение выполнено составным с образованием двух взаимосвязанных рабочих профилей – внешнего и внутреннего, каждый из которых имеет свою рабочую полость, отличающаяся тем, что внутренний рабочий профиль имеет сильфонообразную форму, причем его гофры расположены вдоль вертикальной оси симметрии поперечного сечения и для них выполнено условие h_в>c_в, где h_в - высота гофра внутреннего рабочего профиля, c_в - ширина гофра внутреннего рабочего профиля, при этом внешний рабочий профиль имеет эллиптическую форму, или плоскоовальную, или восьмеркообразную форму и для него выполнено условие а_н>b_н, где а_н - большая полуось внешнего рабочего профиля, b_н - малая полуось внешнего рабочего профиля.2. Манометрическая пружина, у которой поперечное сечение выполнено составным, с образованием двух взаимосвязанных рабочих профилей - внешнего и внутреннего, каждый из которых имеет свою рабочую полость, отличающаяся тем, что внутренний рабочий профиль имеет сильфонообразную форму, причем его гофры расположены вдоль вертикальной оси симметрии поперечного сечения и для них выполнено условие h_в>с_в, где h_в - высота гофра внутреннего рабочего профиля, c_в - ширина гофра внутреннего рабочего профиля, при этом внешний рабочий профиль имеет сильфонообразную форму и его гофры расположены вдоль горизонтальной оси симметрии поперечного сечения и для них выполнено условие h_н<с_н, где h_н - высота гофра внешнего рабочего профиля, с_н - ширина гофра внешнего рабочего профиля.3. Манометрическая пружина по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что внешний и внутренний рабочие профили выполнены из материалов, обладающих разными физическими и механическими свойствами.4. Манометрическая пружина по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что внутренний рабочий профиль образован при соединении двух гофрированных полос, при этом гофры каждой из полос имеют треугольную форму и такое взаимное расположение, которое позволяет при деформации внутреннего рабочего профиля вершинам гофр одной из гофрированных полос входить в полости гофр другой гофрированной полосы.