Пневматические сильфонные дифференциальные приборы и их расчет

В нашей стране широкое распространение получили приборы, построенные по дифференциальной схеме. В них используются дифференциальные манометры, где в основном в качестве упругих чувствительных элементов применены сильфоны. Принципиальная схема такого прибора показана на рис. 117.

Измерительная схема прибора состоит из двух ветвей: измерительной (сопла 1 и 2) и противодавления (сопла 1' и 3).

Правый сильфон прибора подсоединен к измерительной ветви и находится под давлением р₁, зависящим от размера контролируемой детали (зазора Z).

Левый сильфон находится под постоянным противодавлением, определяемым зазором у сопла 3.

Поскольку свободные концы сильфонов жестко связаны стяжкой 9, которая подвешена на плоских пружинах 4, то положение подвижной системы прибора будет определяться разностью измерительного давления p₁ и постоянного противодавления р₂. Перемещение стяжки с сильфонами преобразуется рычажно-зубчатым механизмом 8 в перемещение стрелки относительно неподвижной шкалы.

На подвижной системе прибора с помощью плоских пружин 7 закреплены подвижные электрические контакты. Для предварительного натяжения пружин с целью обеспечения необходимого усилия замыкания контактов служат упоры 5. Винты 6 с неподвижными контактами служат для настройки срабатывания электрических контактов при заданном размере контролируемой детали. В существующих приборах число пар контактов достигает шести.

Рис. 117. Принципиальная схема сильфонного дифференциального пневматического прибора

Для измерения разности двух размеров вместо узла противодавления устанавливают второй преобразователь, аналогичный преобразователю с соплом 2.

Если прибор проектируют также и для контроля отклонений от правильной геометрической формы и взаимного расположения поверхностей (например, овальности, биения), неперпендикулярности торца к оси и т. д.), его снабжают плавающим контактом.

При правильном выборе параметров схемы и упругих элементов погрешность дифференциальных сильфонных приборов не превышает десятых долей микрометра.

Из принципиальной схемы (рис. 117) следует, что общая чувствительность прибора

,

(163)

где K_Z – чувствительность пневматической измерительной схемы, образованной соплами 1 и 2;

К_м – чувствительность (передаточное отношение) механизма передачи от сильфона на стрелку;

К_с – чувствительность сильфонов,

,

(164)

здесь F_э – эффективная площадь сильфонов;

k – жесткость двух сильфонов и их пружинной подвески (если она имеется), приведенная к оси действия сильфонов.

Чувствительность на электрические контакты К_с∙К_Z для сильфонных приборов обычно принимают равной 20–50. Уменьшение чувствительности на контакты ведет к уменьшению точности настройки, а также к усложнению механизмов настройки и передачи на стрелку.

Таким образом, чувствительность сильфонов должна составить

.

(165)

При определении диаметров входных сопел 1, 1' и измерительного сопла 2 исходят из того, что при заданном диапазоне измерения и выбранном рабочем давлении Р измерение должно осуществляться на прямолинейном участке характеристик p(Z).

Для уменьшения погрешности из-за колебания рабочего давления диаметры входных сопел обеих ветвей следует принимать равными.

Эффективную площадь сильфонов выбирают исходя из предела допускаемой погрешности измерения ∆_z. Из рассмотрения принципиальной схемы следует, что по мере перемещения сильфонов вместе с замыканием или размыканием контактов на подвижную систему прибора начинают действовать дополнительные усилия Р_к, передаваемые пружинами электроконтактного устройства. Эти дополнительные усилия вызывают погрешность показаний по шкале, хотя и не влияют на погрешность срабатывания контактов прибора.

Кроме того, на погрешности показаний будет сказываться колебание усилия прижима Р_м механизма передачи движения от сильфонов на стрелку.

С целью уменьшения погрешности показаний до допускаемого значения ∆_z необходимо увеличивать эффективную площадь сильфонов, так, чтобы усилие Р_с, развиваемое сильфонами при изменении измерительного зазора в пределах допускаемой погрешности ∆_z, было равно или больше суммарного дополнительного усилия:

,

(166)

где

,

(167)

здесь Р – усилие предварительного прижима пружины к ограничительным планкам, обеспечивающее надежное замыкание контактов; рекомендуемые значения Р, сН, в зависимости от материала контактов составляют (ориентировочно):

вольфрам В4 палладиево-иридиевый сплав ПД-18 вольфрамо-рениевый сплав ВР-20 серебро Ср.99,9

0,5

Усилие замыкания контактов изменяется под действием коррозии контактов, покрытия их маслами, смолами и другими веществами, которые имеются в пространстве, окружающем контакты. Поэтому при расчете необходимо усилие принимать с коэффициентом запаса, равным 2–3;

n – число контактов;

l_i – перемещение контакта в замкнутом состоянии;

k_i – жесткость i-й пружины, несущей контакт. Необходимо стремиться к возможно меньшей жесткости пружин, однако должно быть обеспечено создание требуемого усилия путем предварительного натяжения пружины (в существующих приборах с вольфрамовыми контактами k_i = 2 сН/мм).

Усилие, развиваемое сильфонами при изменении измерительного зазора в пределах допускаемой погрешности измерения ∆_z,

,

(168)

откуда с учетом условия (166)

.

(169)

Жёсткость сильфонов и их пружинной подвески находят с помощью формулы (165):

.

(170)

Таблица 12

Технические характеристики сильфонных приборов, построенных по дифференциальной схеме

Модель	Число команд	Число делений шкалы (от 0)	Интервал делений шкалы	Цена деления шкалы	Смещение настройки после 25000 срабатываний	Погрешность срабатывания	Рабочий ход силь фонов, мм	Масса, кг	Габаритные размеры, мм
мм
	2/1*	±40		0,0002; 0,002	10 мм вод. ст.	±10 мм вод. ст.	±2	1,920	128х90х100
		2,030
		1,920
БB-6017.4к		+90 –20	1,25	0,001	0,001 мм	0,001 мм	±1,8	4,2	150х135х120
БВ-6060-2	2–4	+100 –20	0,002					230х270х300
БВ-6060-l	0,001	**	**	±2
БВ-6060-05	0,0005

________

* Одна команда с плавающим контактом для амплитудных измерений.

** Погрешность на участке шкалы ±10 делений от нулевого деления составляет ±0,5 деления шкалы, на остальных участках ±1,5 деления шкалы. Погрешность срабатывания электрических контактов 0,5 мкм

Примечание. Рабочее давление всех приборов (0,5–2) ∙10⁵ Па.

Жесткость пружинной подвески определяют по предварительно разработанной конструкции подвески сильфонов, при чем необходимо стремиться уменьшать жесткость с целью исключения влияния упругого последействия в пружинах, а также нелинейности их характеристик. В существующих приборах жесткость подвески составляет 10–20% общей жесткости подвижной системы.

Чувствительность передачи от сильфонов к указателю определяют из выражения (163):

, ,

(171)

где а – заданный или выбранный интервал деления шкалы, i_∑ – заданная цена деления шкалы прибора.

В табл. 12 приведены технические характеристики дифференциальных сильфонных приборов, построенных по схеме рис. 117 и выпускаемых нашей промышленностью.