弹性压力计的特点及工作原理
仪器网 · 2012-07-14 23:41 · 47814 次点击
弹性压力计是利用各种形式的弹性元件,在被测介质的表压或真空度作用下产生的弹性变形与被测压力之间的关系制成的。它是工业生产和实验室中应用最广的一种压力计,具有如下特点:
(1)结构简单、坚实牢固、价格低廉。
(2)准确度较高、测览范围广。
(3)便于携带和安装使用,可以配合各种变换元件做成各种压力计。
(4)可以安装在各种设备上或用于露天作业场合,制成特殊形式的压力表还能在恶劣的环境条件下工作.如高温、低温、振动、冲击、腐蚀、钻稠、易堵和易爆等。
(5)其频率响应低,不宜用于测量动态压力。
3.3.1基本原理
弹性元件受外部压力作用后,通过受压面表现为力的作用,其力F的大小为
F=Ap(3一10)
式中A—弹性元件承受压力的有效面积,m2
根据虎克定律,弹性元件在一定范围内弹性变形与所受外力成正比,即
F=Cx(3一11)
式中C--弹性元件的刚度系数,N/m;
x--弹性元件在外力F作用下所产生的位移(即形变),mo
由以上两式得:
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式(3-12)中弹性元件的有效面积A和刚度系数C与弹性元件的性能、加工过程和热处理等有较大关系。当位移量较小时,它们可视为常数,压力与位移成线性关系;否则,不为常数,应分段线性化或进行修正,使用时还应注意温度对其的影响。比值A/C的大小决定了弹性元件的压力测量范围和灵敏度,比值越大,可测压力范围越小,灵敏度越高,反之亦然。
弹性元件
弹性元件是弹性压力计的测压敏感元件。同样压力下,不同结构、不同材料的弹性元件会产生不同的弹性变形。其材料通常使用合金结构钢,如镍铬结构钢、镍铬钥结构钢等,也有使用碳钢、铜合金和铝合金的,不同的弹性元件所适用的测压范围有所不同。工业上常用的弹性压力计所使用的弹性元件有以下3种:膜片、波纹管和弹簧管,结构如图3-5所示。
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弹簧管
弹簧管是由法国人波登发明的,所以又称为波登管。它是一根弯成2700圆弧的、具有椭圆形(或扁圆形)截面的空心金属管子,如图3-6所示。管子的自由端B封闭,管子的另一端A开口且固定在接头上,空心管的扁形截面长轴2a与和图面垂直的弹簧管几何中心轴00平行。弹簧管结构简单,测量范围最高可达109Pa,因而在工业上应用普遍。弹簧管有单圈和多圈之分,多圈弹簧管自由端的位移量较大,测m灵敏度也较单圈弹簧管高。
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当被测介质从开口端进人并充满弹簧ff的整个内腔时,椭圆截面在被测压力P的作用下将趋向圆形,即长半轴a将减小,短半轴b将增加。由于弹簧管长度一定,使弹簧份随之产生向外挺直的扩张变形,结果改变弹簧管的中心角,使其自由端产生位移,由B移到B',如图3-6中的虚线所示。若输人压力为负压时,B点的位移方向与BR‘完全相反。
弹簧管既可以直接带动传动机构就地械示,又可以接转换元件将信号远传。根据弹性元件的各种不同形式,弹性压力计可分为相应的各种类型。
膜片
膜片是一种沿外缘固定的片状测压弹性元件,在外力作用下通过膜片的变形位移测取压力的大小。膜片的特性一般用中心的位移和被测压力的关系来表征。
膜片又分为平面膜片、波纹膜片和挠性膜片。其中平面膜可以承受较大被测压力,但变形量较小,灵敏度不高,一般在测量较大的压力而且要求变形不很大时使用。波纹膜片是一种压有环状同心波纹的圆形薄膜,其波纹的数目、形状、尺寸和分布均与压力测量范围有关。其测压灵敏度较高,常用在小量程的压力测量中。为提高灵敏度,得到较大位移量,可以把两块金属膜片沿周边对焊起来,成一薄膜盒子,称为膜盒。挠性膜片一般不单独作为弹性元件使用,而是与线性较好的弹簧相连,起压力隔离作用,主要是在较低压力测量时使用。膜片可直接带动传动机构就地显示,但是由于膜片的位移较小,灵敏度低,更多的是与压力变送器配合使用。
波纹管
波纹管是一种具有等间距同轴环状波纹,能沿轴向伸缩的测压弹性元件,用金属薄管制成,形状类似于手风琴的褶皱风箱。波纹管在受到外力作用时,其膜面产生的机械位移量主要不是靠模面的弯曲形变,而是靠波纹柱面的舒展或压屈来带动膜面中心作用点的移动。波纹管有单波纹管和双波纹管之分,其位移x与作用力F的关系为
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式中ho—非波纹部分的壁厚,m;
n—完全工作的波纹数;
u—泊松比;
E—弹性模量,Pa;
a—波纹平面部分的倾斜角;
RB—波纹管的内径,m;
A0,A1,A2和B0—与材料有关的系数。
由于波纹管的位移相对较大,一般可直接带动传动机构,就地显示。其优点是灵敏度高,
可以用来测取较低的压力或压差。但波纹管迟滞误差较大,准确度最高仅为1.5级。
各种弹性元件的结构和性能指标见表3-4
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