МАНОМЕТРИЧЕСКАЯ ПРУЖИНА С ВОЗРАСТАЮЩЕЙ 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 нелинейность их упругой характеристики, что снижает точность всех манометрических приборов, использующих манометрическую пружину в качестве чувствительного элемента. Также 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 возрастающей или линейной упругой характеристикой.

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

Поставленный технический результат изобретения достигается тем, что манометрическая пружина образуется герметичным соединением двух полосообразных деталей малой толщины, образующих внешний и внутренний контуры поперечного сечения, при этом для поперечного сечения выполнено условие А/В>1, где А - большая ось поперечного сечения пружины, В - малая ось поперечного сечения пружины. Полосообразные детали малой толщины имеют продольные гофры, при этом для каждого гофра выполнено условие 2H/d>1, где d, H - соответственно ширина и высота рассматриваемого гофра. Технический результат изобретения может быть достигнут также в том случае, когда гофры, выполненные на полосообразных деталях, имеют переменные шаг и(или) высоту, вдоль средней линии гофров.

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 при изменении 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 во внутренней полости пружины ее поперечное сечение получает следующие деформации. Наличие гофров на внешнем и внутреннем контуре поперечного сечения пружины и выполнение условия 2H/d>1, где d, H - соответственно ширина и высота гофров, приводят к тому, что, прежде всего, значительно увеличивается большая ось поперечного сечения пружины - в поперечном сечении манометрическая пружина работает как сильфон - гофры растягиваются. Наряду с этой деформацией изменяется расстояние от центральной оси манометрической пружины до всех точек внешнего и внутреннего контуров поперечного сечения, за счет чего свободный конец пружины получает перемещение. В результате увеличения большой оси поперечного сечения (растяжения гофров) жесткость манометрической пружины с ростом давления уменьшается, а точки внешнего и внутреннего контуров поперечного сечения получают все большие перемещения, что приводит к увеличению приращений перемещения свободного конца манометрической пружины с ростом давления. В результате такой деформации упругая характеристика манометрической пружины является возрастающей. Учитывая, что упругая характеристика известных конструкций манометрических пружин является затухающей /4/, изменяя геометрические параметры поперечного сечения манометрической пружины, высоту, ширину и шаг гофров можно добиться линейной, упругой характеристики.

Расширения диапазона нелинейности возрастающей упругой характеристики или получение требуемого угла наклона линейной упругой характеристики можно добиться выполняя гофрировку, с переменными шагом и(или) высотой гофров, вдоль средней линии гофров.

На фиг.1 представлен общий вид манометрической пружины.

На фиг.2 показано поперечное сечение манометрической пружины.

На фиг.3 показаны геометрические параметры продольных гофров, выполненных на внешнем и внутреннем контурах 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 полосообразных деталей 8 и 9, соответственно образующих внешний 10 и внутренний 11 контуры поперечного сечения пружины.

Размеры поперечного сечения определяются величиной малой оси сечения В и большой оси сечения А, при этом для поперечного сечения пружины выполнено условие - А/В>1.

Полосообразные детали 8 и 9 имеют продольные гофры 12 (вдоль продольной оси 5).

На внешнем 10 и внутреннем 11 контурах поперечного сечения пружины можно выделить среднюю линию гофров 13 - линию в поперечном сечении, равноотстоящую от вершин и впадин гофров 12. Геометрическими параметрами гофров 12 являются ширина гофра d, высота гофра Н и шаг гофров 1, при этом для каждого гофра выполнено условие 2H/d>1, где d, H - соответственно ширина и высота рассматриваемого гофра. Гофры 12 могут быть выполнены с переменными шагом и(или) высотой вдоль средней линии гофров 13.

Манометрическая пружина 1 работает следующим образом. При создании во внутренней полости 7 избыточного давления гофры 12, расположенные на внешнем 10 и внутреннем 11 контурах поперечного сечения, растягиваются - большая ось А поперечного сечения увеличивается, а жесткость манометрической пружины уменьшается. Одновременно с этим расстояние от центральной оси 6 до точек внешнего 10 контура поперечного сечения увеличивается, а расстояние от центральной оси 6 до точек внутреннего контура 11 поперечного сечения уменьшается. С ростом давления жесткость пружины становится все меньше, а точки внешнего 10 и внутреннего 11 контуров поперечного сечения пружины получают все большие перемещения, что приводит к увеличению приращений перемещения свободного конца 2 пружины 1 и обуславливает возрастание упругой характеристики манометрической пружины 1. Изменяя геометрические параметры гофров, можно получить не только возрастающую упругую характеристику, но и строго линейную.

Источники информации

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

2. А.С. 403977 СССР, 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.

4. Тыжнов Г.И. Деформации и напряжения в трубчатых манометрических пружинах. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Томск, 1964, 185 с.

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в манометрических приборах, например манометрах, термометрах, вакуумметрах, уровнемерах, расходомерах. Манометрическая пружина образуется герметичным соединением двух полосообразных деталей малой толщины с продольными гофрами. При этом для поперечного сечения пружины выполнено условие А/В>1, где А - большая ось поперечного сечения, В - малая ось поперечного сечения пружины. Кроме того, для каждого гофра выполнено условие 2H/d>1, где d, H - соответственно ширина и высота рассматриваемого гофра. Технический результат заключается в уменьшении жесткости пружины с ростом давления и получении манометрической пружины с заданной возрастающей или линейной упругой характеристикой. 1 з.п. ф-ла, 3 ил.

1. Манометрическая пружина, образованная герметичным соединением двух полосообразных деталей, образующих внешний и внутренний контуры поперечного сечения, отличающаяся тем, что полосообразные детали имеют продольные гофры, при этом для поперечного сечения пружины выполнено условие

А/В>1,

где А - большая ось поперечного сечения пружины;

В - малая ось поперечного сечения пружины,

для каждого гофра выполнено условие

2H/d>1,

где d, H - соответственно ширина и высота рассматриваемого гофра.