МАНОМЕТРИЧЕСКАЯ ПРУЖИНА С ЗАТУХАЮЩЕЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ Российский патент 2006 года по МПК G01L7/04 

Изобретение относится к упругим чувствительным элементам, используемым в манометрических приборах, например в манометрах, термометрах, вакуумметрах, уровнемерах, расходомерах.

В настоящее время известны различные конструкции манометрических пружин. Известны манометрические пружины, поперечное сечение которых может иметь плоскоовальную, эллиптическую или восьмеркообразную форму [1]. Известны конструкции манометрических пружин с асимметричным поперечным сечением, на внешнем и внутреннем контурах которого располагаются один или несколько продольных гребней [2]. Известна манометрическая пружина, у которой на внешнем и внутреннем контурах поперечного сечения расположены один или несколько продольных гофров, форма и размеры которых изменяются от закрепленного конца пружины к свободному [3].

Общим недостатком известных конструкций манометрических пружин является невозможность подбора требуемой нелинейной упругой характеристики манометрической пружины, что часто является необходимым для измерения физических величин, нелинейно связанных с давлением. Величины, нелинейно связанные с давлением, могут быть измерены с помощью приборов, использующих в качестве упругого чувствительного элемента мембрану или сильфон, однако недостатком таких приборов является достаточно сложная и громоздкая конструкция. Также приборы, использующие в качестве упругого чувствительного элемента мембрану или сильфон, развивают достаточно высокие тяговые усилия, что в ряде случаев, например при измерении по схеме силовой компенсации, является нежелательным.

Задачей изобретения является получение манометрической пружины с заданной затухающей упругой характеристикой.

Технический результат изобретения заключается в повышении жесткости манометрической пружины с ростом давления.

Поставленный технический результат изобретения достигается тем, что поперечное сечение пружины образуется герметичным соединением трех полосообразных деталей малой толщины с заданными формой и размерами, причем две полосообразных детали, образующие внешний и внутренний контуры поперечного сечения пружины, имеют продольные гофры, третья полосообразная деталь не имеет гофров и в поперечном сечении пружины расположена вдоль большой оси сечения, при этом средняя линия гофров на внешнем и внутреннем контурах поперечного сечения обращена выпуклостью по направлению к большой оси поперечного сечения и выполнено условие А/(2с)>1, где А - большая ось поперечного сечения пружины, с - наименьшее расстояние от большой оси поперечного сечения пружины до наиболее удаленной точки средней линии гофров на внешнем и внутреннем контурах поперечного сечения пружины.

Поставленный технический результат может быть достигнут также при выполнении гофров с переменными шагом и (или) высотой вдоль средней линии гофров, а также при выполнении полосообразных деталей, образующих внешний и внутренний контуры поперечного сечения, и полосообразной детали, расположенной вдоль большой оси сечения с различной толщиной стенки.

Предлагаемая конструкция манометрической пружины является достаточно технологичной, так как изготовление манометрической пружины может быть осуществлено за три этапа:

- получение тонколистовых полосообразных гофрированных деталей нужной формы и с необходимой формой гофр (например, штамповкой);

- изгиб полученных полосообразных деталей на прокатных роликах с соответствующим гофрам профилем по дуге заданного радиуса;

- сварка или пайка полученных гофрированных полосообразных деталей в единую, герметичную конструкцию.

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

Упругая характеристика манометрической пружины - это зависимость перемещения конца манометрической пружины от давления. Если с ростом давления конец пружины получает все большие перемещения, упругая характеристика является возрастающей, иначе манометрическая пружина имеет затухающую характеристику. Перемещения конца манометрической пружины зависят от деформации внешнего и внутреннего контуров поперечного сечения, а именно от величины перемещения каждой точки профиля поперечного сечения от большой оси поперечного сечения.

Для заявляемой конструкции манометрической пружины с ростом давления в ее внутренней полости поперечное сечение деформируется следующим образом. Так как средняя линия гофров на внешнем и внутреннем контурах поперечного сечения (линия, равноудаленная от вершин и впадин гофров в поперечном сечении) обращена выпуклостью по направлению к большой оси поперечного сечения, то расстояние от центральной оси пружины до всех точек внешнего контура поперечного сечения увеличивается, а расстояние от центральной оси пружины до всех точек внутреннего контура поперечного сечения уменьшается, при этом средняя линия гофров на внешнем и внутреннем контурах поперечного сечения становится короче - гофры сжимаются. Наличие полосообразной детали, расположенной в поперечном сечении вдоль большой оси и связанной с внешним и внутренним контурами поперечного сечения, препятствует изменению длины большой оси поперечного сечения, за счет чего средняя линия гофров получает при росте давления значительные укорочения. В результате описанной деформации значительно увеличивается жесткость манометрической пружины, причем, чем выше давление во внутренней полости манометрической пружины, тем выше поперечная сила, сжимающая гофры, и тем меньше перемещения точек внешнего и внутреннего контуров поперечного сечения. В результате жесткость манометрической пружины с ростом давления увеличивается, а упругая характеристика манометрической пружины является затухающей.

Изменяя число, форму гофров, высоту и шаг гофров, а также выполняя гофрировку с переменными шагом и (или) высотой гофров вдоль средней линии гофров, можно в широких пределах изменять нелинейность упругой характеристики манометрической пружины.

На фиг.1 представлен общий вид манометрической пружины.

На фиг.2 показано поперечное сечение манометрической пружины.

На фиг.3 показаны геометрические параметры гофров, выполненных на полосообразных деталях, образующих внешний и внутренний контуры поперечного сечения пружины.

Манометрическая пружина 1 имеет свободный конец 2, конец 3, закрепленный в держателе 4, продольную ось 5, центральную ось 6 и внутреннюю полость 7.

Продольная ось 5 расположена на расстоянии R от центральной оси 6 и лежит в плоскости, перпендикулярной центральной оси 6.

Манометрическая пружина 1 образуется герметичным соединением двух тонкостенных полосообразных деталей 8 и 9 и полосообразной детали малой толщины 13. Полосообразные детали 8 и 9 и полосообразная деталь 13 могут быть выполнены с различной толщиной стенки.

Полосообразные детали 8 и 9 соответственно образуют внешний 10 и внутренний 11 контуры поперечного сечения пружины. Полосообразная деталь 13 расположена в поперечном сечении вдоль большой оси сечения А и герметично связана с внешним 10 и внутренним 11 контурами поперечного сечения пружины.

Полосообразные детали 8 и 9 имеют продольные гофры 12 (вдоль продольной оси 5). В поперечном сечении на внешнем 10 и внутреннем 11 контурах можно выделить среднюю линию гофров 14 - линию, в поперечном сечении равноотстоящую от вершин и впадин гофров 12.

Размеры поперечного сечения определяются величиной малой оси сечения В и большой оси сечения А, а также расстоянием с - наименьшим расстоянием от большой оси А поперечного сечения до наиболее удаленной точки средней линии 14 гофров 12 на внешнем 10 и внутреннем 11 контурах поперечного сечения. При этом для поперечного сечения пружины выполнено условие А/(2с)>1, а средняя линия гофров 14 внешнего 10 и внутреннего 11 контуров поперечного сечения обращена выпуклостью по направлению к большой оси А поперечного сечения.

Геометрическими параметрами гофров 12 являются ширина гофра - d, высота гофра - Н и шаг гофров - t, при этом для каждого гофра выполнено условие 2H/d>1, где d, Н - соответственно ширина и высота рассматриваемого гофра. Гофры 12 могут быть выполнены с переменными шагом и (или) высотой вдоль средней линии гофров 14.

Работает манометрическая пружина следующим образом. При создании во внутренней полости 7 избыточного давления расстояние от центральной оси 6 до точек внешнего контура 10 поперечного сечения увеличивается, а расстояние от центральной оси 6 до точек внутреннего контура 11 поперечного сечения уменьшается. В результате средняя линия гофров 14 на внешнем 10 и внутреннем 11 контурах поперечного сечения становится короче - гофры 12 сжимаются, жесткость манометрической пружины 1 возрастает, при этом свободный конец 2 пружины получает конечное перемещение. С ростом давления поперечная сила, сжимающая гофры 12, возрастает, перемещения точек внешнего 10 и внутреннего 11 контуров поперечного сечения уменьшаются, что приводит к затуханию упругой характеристики манометрической пружины 1.

Источники информации

1. Андреева Л.Е. Упругие элементы приборов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М., Машиностроение, 1981, 392 с.

2. А.С. СССР 403977, кл. G 01 L 7/04, опубл. 26.10.73, бюллетень №43.

3. RU 2216001, кл. G 01 L 7/04, опубл. 10.11.2003, бюллетень №31.

Использование: изобретение относится к упругим чувствительным элементам, используемым в манометрических приборах, например в манометрах, термометрах, вакуумметрах, уровнемерах, расходомерах. Сущность: манометрическая пружина образуется герметичным соединением трех полосообразных деталей малой толщины с заданными формой и размерами. При этом две полосообразные детали, образующие внешний и внутренний контуры поперечного сечения пружины, имеют продольные гофры, а третья полосообразная деталь не имеет гофров и в поперечном сечении пружины расположена вдоль большой оси сечения, причем средняя линия гофров внешнего и внутреннего контуров поперечного сечения обращена выпуклостью по направлению к большой оси поперечного сечения. Кроме того, выполнено условие А/(2с)>1, где А - большая ось поперечного сечения пружины, с - наименьшее расстояние от большой оси поперечного сечения пружины до наиболее удаленной точки средней линии гофров на внешнем и внутреннем контурах поперечного сечения пружины. Нелинейность упругой характеристики манометрической пружины можно изменять, варьируя геометрические параметры поперечного сечения пружины (в том числе, толщину стенок полосообразных деталей, образующих внешний и внутренний контуры поперечного сечения, и полосообразной детали, расположенной вдоль большой оси сечения) и геометрические параметры гофров. Техническим результатом изобретения является повышение жесткости манометрической пружины с ростом давления. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Манометрическая пружина, образованная герметичным соединением трех полосообразных деталей малой толщины с заданными формой и размерами, отличающаяся тем, что две полосообразные детали, образующие внешний и внутренний контуры поперечного сечения пружины, имеют продольные гофры, а третья полосообразная деталь не имеет гофров и в поперечном сечении пружины расположена вдоль большой оси сечения, при этом средняя линия гофров внешнего и внутреннего контуров поперечного сечения обращена выпуклостью по направлению к большой оси поперечного сечения и выполнено условие А/(2с)>1, где А - большая ось поперечного сечения пружины, с - наименьшее расстояние от большой оси поперечного сечения пружины до наиболее удаленной точки средней линии гофров на внешнем и внутреннем контурах поперечного сечения пружины.2. Манометрическая пружина по п.1, отличающаяся тем, что гофры, выполненные на полосообразных деталях, образующих внешний и внутренний контуры поперечного сечения пружины, имеют переменный шаг и (или) высоту вдоль средней линии гофров.3. Манометрическая пружина по п.1, отличающаяся тем, что полосообразные детали, образующие внешний и внутренний контуры поперечного сечения пружины, и полосообразная деталь, расположенная вдоль большой оси сечения, имеют разную толщину.