МАНОМЕТР ПОКАЗЫВАЮЩИЙ ДЛЯ ТОЧНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ МПТИ
HIGH-PRECISION INDICATING PRESSURE GAUGE

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерений избыточного и вакуумметрического давления неагрессивных, некристаллизующихся жидкостей, газа и пара, в том числе кислорода, и применения в сферах государственного метрологического контроля и надзора (ГМКиН) и государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП), где требуется высокая точность при измерении давления, вакуума, перепада давлений контрольно-измерительными приборами, в случае необходимости стабилизации их показаний при пульсирующем давлении измеряемой среды.
Пульсации среды при измерении давления, расхода вызывает вибрацию манометрического чувствительного элемента (трубка Бурдона) и делает записи самопишущих приборов "размазанными" в широком диапазоне, что затрудняет последующую обработку диаграмм и увеличивает погрешность измерений. Пульсация затрудняет также считывание показаний стрелочных приборов и, как следствие, приводит их к преждевременному износу.
Известен "Манометрический прибор" [1], в котором с целью повышения точности измерений путем увеличения вибро- и ударостойкости хвостовик зубчатого сектора конструктивно отделен от самого сектора и выполнен в виде одноплечего рычага, снабженного двумя дополнительными поводками, связанных между собой пружиной Предполагается, что при большой частоте вибрации один из поводков «не успевает отслеживать движение хвостовика и второго поводка» счет чего уменьшается амплитуда колебания стрелки прибора
Таким образом, принцип действия рассматриваемого техническою решения заключается в периодическом разрыве кинематической связи трубки Бурдона с зубчатым сектором Однако существенным недостатком рассматриваемою аналоги наряду с громоздкостью конструктивного решения является изменение конфигурации хвостовика зубчатого сектора и придания ему прямолинейной формы одноплечего рычага вместо геометрической дуги определенного радиуса Такая форма хвостовика затрудняет градуировку прибора, так как неизбежное при этом перемещение поводка в прямолинейном хвостовике будет приводить к смещению стрелки от нулевой отметки шкалы, что потребует дополнительной подстройки прибора Известен "Манометр" [2], в котором с целью повышения виброустойчивости зубчатый сектор связан внутренним зацеплением с дополнительным зубчатым колесом, на оси которого закреплен инерционный элемент, который силами инерции уменьшает амплитуду колебаний показывающей стрелки. Недостатком данного технического решения является возникновение в шарнирах механизма реакции от сил инерции, что ведет к ускоренному разрушению прибора Это обстоятельство ограничивает массу инерционного элемента, что в свою очередь снижает эффективность его действия.
Известен "Манометрический прибор" [3], выбранный в качестве прототипа, содержащий манометрический чувствительный элемент и передаточный механизм в виде системы тяг и зубчатого сектора, кинематически связанных со стрелкой, расположенной на оси ее вращения, отличающийся тем, что, с целью повышения виброустойчивости прибора, в него введена пластинчатая пружина, установленная в рассечку зубчатого сектора, а на стрелке закреплен инерционный диск, центр которого расположен на оси вращения стрелки.
Особенностью данного технического решения является то, что под действием пульсирующего давления измеряемой среды манометрический чувствительный элемент прибора совершает резкие непродолжительные колебания большей или меньшей амплитуды (приходит в состояние вибрации), которые передаются стрелке прибора. При этом закрепленный на стрелке диск совершает возвратно-поступательное движение. Но в силу инертности диск оказывает определенное сопротивление изменению направления своего вращения. Это тормозящее действие диска вызывает упругую деформацию пластинчатой (или цилиндрической) пружины компенсатора, которая практически и воспринимает вибрацию чувствительного элемента. Поэтому стрелка прибора реагирует не на каждый толчок давления, а на некоторую их результирующую, осредненную сумму импульсов. Пульсация прибора практически прекращается. Сочетание инерционного диска и пружинного компенсатора обеспечивает эффективное действие прибора в широком диапазоне амплитуды и частоты колебаний измеряемой среды.
Однако у прототипа имеется ряд существенных недостатков, а именно:
- В описании изобретения не указан способ закрепления концов пружины в рассечку зубчатого сектора и поводка прибора и, следовательно, возникает противоречие. Судя по описанию изобретения концы пружины закреплены жестко в рассечках, где неизбежно возникают реакции связи при действии периодически изменяющихся во времени нагрузок (напряжений), которым подвержен манометрический чувствительный элемент под действием пульсирующего давления измеряемой среды. Опыты показывают, что при этом детали разрушаются при напряжениях более низких, чем напряжения, вызванных действием статических нагрузок [4, с.354].
- Характерно то, что при действии повторно-переменных нагрузок происходит постепенное разрушение пружины вследствие усталости материала пружины и в результате постепенного развития трещин. Существенное значение для возникновения трещин и развития трещин усталости имеют не только дефекты внутреннего строения материала (внутренние трещины, шлаковые включения и т.п.), но также и дефекты обработки поверхности детали (царапины, следы от резца или шлифовального камня).
Исследования показывают, что поломки в подавляющем большинстве случаев происходят из-за трещин усталости [4, с.354-358].
- В случае жесткого закрепления одного конца пружины в рассечках уменьшается эффект усталости и материала пружины, но не исключается ее излом в месте жесткого закрепления.
- Другой недостаток. В описании изобретения не приводится способ регулировки коррекции нуля прибора при уменьшении эффективной работы компенсационной пружины вследствие усталости материала пружины, что практически уменьшит или полностью исключит положительный эффект применения инерционного диска и увеличит погрешность измерений.
Целью предлагаемого технического решения является сохранение точности измерений, повышение виброустойчивости и надежности действия контрольно-измерительных приборов за счет исключения влияния пульсации измеряемой среды на их показания.
Технический результат достигается тем, что манометр, содержащий цилиндрический корпус, внутри которого установлен держатель-основание, оканчивающийся штуцером для подключения к измеряемому давлению с внешней стороны корпуса, трубчатую пружину Бурдона, которая свободным концом связана с помощью тяги с передаточным трибко-секторным механизмом, преобразующим перемещение свободного конца трубки в круговое движение стрелки, установленной на оси трибки и располагающейся над циферблатом, - имеет балансировочное устройство, представляющее собой грузики, перемещающиеся на резьбовой шпильке, что обеспечивает балансировку трибко-секторного механизма, кроме того, манометр классом точности 0,6 и 1 может быть с корректором нуля, который вынесен на корпус прибора и представляет собой цилиндрическую пружину растяжения, натяжение которой меняется при повороте винта с эксцентриком и корректирует положение стрелки относительно нуля отсчета, или манометр м.б. с корректором нуля на стрелке. Манометр классом точности 0,4 м.б. только с вынесенным на корпус корректором нуля.
Преимуществом предлагаемого изобретения является то, что решена трудная техническая задача по сохранению точности измерений, по повышению виброустойчивости и надежности действия контрольно-измерительных приборов за счет исключения влияния пульсаций измеряемой среды путем применения цилиндрической пружины растяжения, натяжение которой меняется при повороте винта с эксцентриком и выполняет не только коррекцию положения стрелки относительно нуля отсчета, но и практически гасит возникающие пульсации трубчатой пружины Бурдона за счет упругой деформации цилиндрической пружины растяжения, кроме того, в настоящем техническом решении цилиндрическая пружина растяжения крепится при помощи прицепов, полученных посредством отгиба крайних витков пружины [5, с.67, фиг.17, лучший вариант а], причем один прицеп пружины свободно вставляется в отверстие серьги винта с эксцентриком, а другой - в отверстие ушка, которое жестко закреплено на трубчатой пружине Бурдона к наконечнику с плоским выступом. Такое крепление цилиндрической пружины растяжения исключает поломку прицепов, так как они закреплены свободно по сравнению с прототипом, в котором концы пластинчатой пружины закреплены жестко, так что при действии повторно переменных нагрузок происходит постепенное их разрушение.
Применение балансировочного устройства, представляющего собой грузики, перемещающиеся на резьбовой шпильке, которая одним концом жестко закреплена на хвостовике зубчатого сектора, причем шпилька расположена вертикально вниз и ее ось расположена на некотором расстоянии от оси вращения зубчатого сектора, что создает плечо для плавной балансировки массы зубчатого сектора путем перемещения грузиков на шпильке, тем самым обеспечивая нейтральный баланс масс зубчатого сектора и грузиков, а в силу инерции грузиков создается стабилизированное положение указательной стрелки на шкале прибора при измеряемом давлении.
Кроме того, в новой конструкции прибора корректор нуля крепится к корпусу прибора при помощи винтов и крепежной шайбы и состоит из винта с прорезью с лицевой стороны, а к тыльной торцевой крепится винтами диск с эксцентриком которые выполнены заодно, причем для удержания корректора нуля в фиксированном положении между крепежной шайбой и диском с эксцентриком расположена тарельчатая пружина, надежный натяг с запасом которой создается при креплении винтами диска с эксцентриком в резьбовые отверстия тыльного торца винта с прорезью, причем винт расположен во втулке, имеющей отбортовки и выполненной из эластичного материала, например из резины, что дает возможность вставит втулку в отверстие корпуса прибора и закрепить ее при помощи отбортовок
Держатель-основание закреплен к корпусу винтами, а трубчатая пружина Бурдона закреплена герметично в держателе-основании одним концом и оканчивается герметичным свободным другим с наконечником, к которому жестко закреплен плоский выступ имеющий отверстие для крепления первого шарнира, а в хвостовике зубчатого сектора имеется отверстие, выполненное в виде паза, второю шарнира для соединения тяги своими концами при помощи первого и второго шарниров
Трибко-секторный передаточный механизм содержит механически соединенные между собой две параллельные металлические пластины, которые жестко закреплены на держателе-основании, кроме того, между этими пластинами размещены зубчатый сектор с осью вращения и хвостовиком, а также содержит плоскую натяжную спиральную пружину, закрепленную одним концом в прорези верхней пластины, а другим - в прорези диска, насаженного на ось трибки.
Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить его критерию " новизна ". При изучении других известных технических решений в данной области техники, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены и поэтому они обеспечивают техническому решению соответствие критерию "существенные отличия".
Рисунок, поясняющий суть изобретения, приведен на фиг.1, на котором изображен манометр с лицевой стороны, где 1 - цилиндрический корпус прибора, в котором закреплен держатель-основание 2 при помощи винтов 3 и штуцером 4 для подключения к измеряемому давлению с внешней стороны корпуса 1, а трубчатая пружина Бурдона 5 закреплена герметично в держателе-основании 2 одним концом и оканчивается герметичным свободным другим с наконечником 6, к которому жестко закреплен плоский выступ 7, имеющий отверстие 8 для крепления первого шарнира 9, а в хвостовике зубчатого сектора имеется отверстие 10, выполненное в виде паза, для второго шарнира 11 для соединения тяги 12 своими концами при помощи первого 9 и второго 11 шарниров.
Трибко-секторный механизм А содержит механически соединенные между собой две параллельные, верхняя 13 и нижняя 14, металлические пластины, которые жестко закреплены на держателе-основании 2, кроме того, между этими пластинами размещены зубчатый сектор 15 с осью 16 вращения и хвостовиком 17, а также содержит плоскую натяжную спиральную пружину 18, закрепленную одним концом в прорези верхней металлической пластины 13, а другим - в прорези диска, насаженного на ось трибки 19.
х
Балансировочное устройство представляет собой грузики 20, перемещающиеся на резьбовой шпильке 21, которая одним концом жестко закреплена на хвостовике 17 зубчатого сектора 15, причем шпилька 21 расположена вертикально вниз и ее ось расположена на определенном расстоянии Δ от оси 16 вращения зубчатого сектора 15. В новой конструкции прибора корректор нуля вынесен на корпус 1 и представляет собой цилиндрическую пружину растяжения 22 с устройством ее натяжения (на фиг.2 - разрез Б-Б на фиг.1), которое крепится к корпусу при помощи винтов 23 и крепежной шайбы 24 и состоит из винта 25 с прорезью 26 с лицевой стороны, а к тыльной торцевой крепится винтами 27 диск 28 с эксцентриком 29, которые выполнены заодно, причем для удержания корректора нуля в фиксированном положении между крепежной шайбой 24 и диском 28 с эксцентриком 29 расположена тарельчатая пружина 30, надежный натяг с запасом которой создается при креплении винтами 27 диска 28 с эксцентриком 29 в резьбовые отверстия тыльного торца винта 25 с прорезью 26, причем винт 25 расположен во втулке 31, имеющей отбортовки и выполненной, например, из резины, что дает возможность вставить втулку 31 в имеющееся посадочное отверстие в корпусе 1 прибора и закрепить в нем при помощи отбортовок. Цилиндрическая пружина растяжения 22 крепится при помощи прицепов 32, полученных посредством отгиба крайних витков пружины 22, причем один прицеп свободно вставляется в отверстие серьги 33 винта 25 с эксцентриком 29, а другой - в отверстие ушка 34, которое жестко закреплено на трубчатой пружине Бурдона 5 к наконечнику 6.
Длина тяги 12 регулируется путем перемещения плечика 35 вверх или вниз, в котором для этого выполнен продольный паз, и закрепляется при помощи винтов 36.
Круглый циферблат 37 имеет меньший диаметр, чем внутренний диаметр корпуса 1, и три сквозных отверстия, первое из которых расположено в центре циферблата 37 и предназначено для прохода оси трибки 19, а второе и третье расположены в плоскости, проходящей через оси трибки 19 и штуцера 4 и предназначены для прохода через них винтов 38, соединяющих циферблат 37 с держателем-основанием 2. Указательная стрелка 39 насажена на конечную часть оси трибки 19. Защитное стекло 40 крепится к корпусу 1 прибора с лицевой стороны при помощи обечайки 41, которая закреплена на корпусе 1 тремя винтами, расположенными друг к другу под углом 120 градусов, на одном из которых устанавливается пломба 42 с контрольным винтом 43.
Манометрический прибор функционирует следующим образом
Работа устройства основана на уравновешивании измеряемого давления силами упругой деформации манометрической пружины Бурдона 5 (фиг.1)
Измеряемое давление подается через штуцер 4 во внутреннюю полость трубки Бурдона 5, один конец которой жестко закреплен в держателе-основании 2, а другой - свободен.
При подаче давления перемещение свободного конца трубки Бурдона 5 при помощи тяги 12, трибко-секторного механизма А преобразуется во вращательное движение показывающей стрелки 39. Отсчет показаний производится по шкале циферблата 37.
При действии пульсирующего давления измеряемой среды манометрический чувствительный элемент 5 совершает резкие непродолжительные колебания большей или меньшей амплитуды (приходит в состояние вибрации), которые передаются указательной стрелке 39 прибора. При этом закрепленное на хвостовике 17 балансировочное устройство совершает возвратно-поступательное движение. Но в силу инертности балансировочное устройство оказывает определенное сопротивление, что создает стабилизированное положение указательной стрелки 39 на шкале циферблата 37, кроме того, за счет упругой деформации цилиндрической пружины растяжения 22, которая практически и воспринимает вибрацию чувствительного элемента 5, пульсация прибора практически прекращается.
Корректор нуля на корпусе 1 представляет собой цилиндрическую пружину растяжения 22, натяжение которой меняется при повороте винта 25 с диском 28, на котором имеется эксцентрик 29, и корректирует положение стрелки 39 относительно нуля отсчета.
Источники информации
1. "Манометрический прибор", а. с. № 1075095.
2 "Манометр ", а. с. № 300790.
3. "Манометрический прибор", патент РФ № 2006010 - прототип.
4. Степин П.А. Сопротивление материалов, 424 с., М., 1968 г.
5. Пономарев С.Д. Пружины, их расчет и конструирование, 112 с. М., 1954 г.
6. Манометры, вакуумметры и мановакуумметры показывающие для точных измерений (МПТИ) Руководство по эксплуатации 5Ш2.830.865 РЭ. Томск, 2006, 12 с., номенклатурный каталог продукции ОАО Манотомь. www manotom-tmz, ru.
7. Мулев Ю.В. Манометры. Производственно-техническое пособие, 280 с. М., МЭИ, 2003 г.