Глава 2. ПОКАЗЫВАЮЩИЕ МАНОМЕТРЫ

Большинство мембран и сильфонов имеют затухающую характеристику 1. Отдельные УЧЭ обладают возрастающей характеристикой 2. Преобразователи на основе трубчатой пружины часто характеризуются возрастающе-затухающей зависимостью 3.

Идеальная характеристика, называемая условной линейной,  представлена на рис. 2.1 прямой 4.

Условная линейная характеристика – характеристика, отражающая прямую пропорциональность между перемещением и давлением, начальная и конечная точки которой совпадают с соответствующими точками упругой характеристики при прямом ходе/2-4/.

Практически во всех случаях характеристики реальных УЧЭ лишь приближаются к идеальным. Нелинейность упругой характеристики для таких элементов может характеризоваться как величиной отклонения, так и знаком (положительным или отрицательным). 

Нелинейность упругой характеристики – отклонение между упругой характеристикой при прямом ходе и условной линейной характеристикой/2-4/.

 УЧЭ характеризуется жесткостью a, определяемой отношением значения воздействующего давления р к величине перемещения характеристической точки этого элемента l /2-3/:

a = р/l.                                     (2.2)

 

Характеристической точкой УЧЭ является: в трубчатой пружине – ее конец, к которому крепится тяга передаточного механизма; в мембранах и сильфонах – как правило, центр, имеющий максимальной перемещение при эквивалентном воздействующем давлении и от которого идет вся цепь последующих линейных преобразований.

Чувствительность упругого элемента d является обратной величиной жесткости

 

d = 1/a = l/р.                               (2.3)

 

Чувствительность – отношение приращения перемещения заданной точки упругого чувствительного элемента к соответствующему приращению давления/2-4/.

В отдельных случаях, например в манометрических контактных реле, применяется выпуклая мембрана с нелинейной скачкообразной характеристикой (см. раздел 2.3). Мембрана своей выпуклой образующей располагается в сторону высокого давления. При возрастании давления и достижении определенной его величины (зависит от конструкции, материала и технологии изготовления) она
скачком изменяет направленность своей выпуклости, замыкая или размыкая контрольную схему. Выбором конструктивных размеров, материалов, дополнительных устройств и пр. задают давление, при котором «срабатывает» реле – происходит скачкообразное изменение формы и характеристики мембраны.

Одна из важнейших характеристик деформационного преобразующего элемента – переустановочное (тяговое) усилие, развиваемое УЧЭ, необходимо для преодоления сопротивления передаточного механизма, пружин уравновешивания и др. Переустановочное усилие зависит от эффективной площади элемента, определяемой размерами упругого элемента и характером его деформаций под воздействием нагрузки /2-3/.

Широкое распространение УЧЭ не исключает существенных недостатков. Один из них – явление гистерезиса. Вариация от такого явления определяется как разность в показаниях прибора при прямом и обратном ходе. Величина гистерезиса n определяется как отношение наибольшей разницы D между перемещениями заданной точки УЧЭ при прямом и обратном ходе и одинаковом воздействующем давлении к максимальному ее перемещению l_maх,   выраженное в процентах:

 

n = D / l_mах × 100 %.                           (2.4)

 

Выбор материала и конструкции УЧЭ для исключения микропластических деформаций, выражающихся в ползучести, должен обеспечивать устойчивую работу измерительного прибора в задаваемых условиях температур, а также иметь определенный запас устойчивости для обеспечения необходимых нагрузок переустановочных усилий. Высокие температуры, значительные напряжения могут привести к нестабильности характеристик преобразующих элементов, релаксации (ослаблению) упругих свойств и, соответственно, снижению метрологических показателей.

Необходимо обратить внимание на различие физических основ гистерезиса и ползучести. Так,  гистерезис проявляется в разности значений перемещений определенных точек УЧЭ при прямом и обратном ходах его нагружения. И если контролировать определенную точку, например, в средней части УЧЭ, то при явлении гистерезиса положения этой точки при прямом и обратном ходе будет существенно различаться. При снятии воздействующей нагрузки характеристика УЧЭ восстанавливается. Иллюстративно это можно наблюдать, когда после подачи давления на манометр, т.е. после прямого и обратного хода стрелка манометрического прибора не восстанавливается на ноль. Но по прошествии какого-то времени такое восстановление происходит. 

При явлении ползучести, проявляющейся при относительно больших напряжениях и температурах, не наблюдается восстановления показаний прибора после снятия давления даже по истечении времени. На практике, явление ползучести УЧЭ, обусловленное сверхлимитированным по величине воздействием давления, носит названия передавливания.  Воздействующая температура усиливает проявление этого эффекта.

Погрешность измерительного прибора с УЧЭ, определяемая упругими свойствами металла, зависит от коэффициента запаса p, равного отношению предела упругости s_у  к рабочему напряжению металла упругого элемента s, т. е.

 

p = s_у / s.                                    (2.5)

 

Чем выше значение коэффициента запаса p, тем меньше влияние остаточных эффектов упругости на результат измерения.

Характеристики упругости металла, как и линейные размеры металла преобразующего элемента, зависят от температуры. Воздействие температуры, в применении к манометрии, это температура измеряемой среды или окружающего воздуха, в конечном виде сводится к температурному воздействию на УЧЭ. Такое воздействие может существенно изменять метрологические характеристики прибора, вплоть до потери УЧЭ упругих свойств, распайке места крепления элемента в держатель или ее конца с вытекающими отсюда последствиями. Анализу упругих свойств металлов, используемых в изготовлении УЧЭ, посвящен раздел 2.1.3 настоящей главы.

Влияние температуры на изменение модуля упругости металла может быть определено выражением /2-3/

 

                                           E_t = E₀ (1 – g_E t),                                           (2.6)

 

где E₀ – модуль упругости при нормальной температуре;
E_t – то же при температуре t; g_E – температурный коэффициент модуля упругости.

В меньшей степени на результат измерения влияют температурные линейные расширения металла упругого элемента, определяемые как

 

                         l_t = a_t l t.                                   (2.7)

 

Здесь a_t – температурный коэффициент линейного расширения металла; l – длина упругого чувствительного элемента в направлении функционального перемещения; t – рабочая температура металла упругого элемента.

При этом влиянием температуры на линейные размеры из-за существенной разницы значений температурного коэффициента модуля упругости (3…5)^.10^{-4 о}С^-1 и линейного расширения (0,1…0,2)^.10^{-4 о}С^-1 можно пренебречь.

Актуальны проблемы температурного расширения металла УЧЭ при его жестком закреплении в металлический корпус. Для этого случая обязательны тщательное согласование температурного коэффициентов линейного расширения металла преобразующего элемента и корпуса, а также выбор допусков посадочных отверстий.

Ко всем деформационным чувствительным элементам предъявляются высокие требования по прочностной надежности. Однако при использовании УЧЭ в качестве первичных преобразователей измерительных приборов, когда требования к упругим характеристикам и их стабильности во времени существенны, применяют также понятие метрологической надежности.

Рабочие характеристики УЧЭ измерительного прибора во многом зависят от технологии изготовления и обработки. Выбор оптимального температурного режима отжига и последующей нормализации металла УЧЭ во многом определяет метрологическую надежность прибора. Механическое старение упругих элементов, как, впрочем, и режимы температурной обработки, – темы специального рассмотрения.

Результаты исследований работы манометрических приборов с УЧЭ при разных температурах окружающей среды приведены в разделе 2.4.