Пружинный манометр

Из полученных данных находим, что  толщина пружины h = 0,04 мм.

• Ширина пружины:

b = 6,25*10 ^{- 3} мм.

• Длина пружины:

 

L = 66 мм.

• Число витков пружины:

n = 3.

• Расстояние между соседними витками:

а = (D₂ – D₁)/2n = 1 мм.

     Таким образом,  мы провели полный расчет спиральной  пружины исходя из известного  значения противодействующего момента  пружины.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Выбор шкалы,  корпуса и крепления.

3.1 Шкала

 Для визуального  наблюдения за измеряемой величиной,  приборы обеспечивают отсчетными  и шкальными устройствами. В основном, отсчетные устройства состоят  из двух элементов: шкалы и  указателя. Шкалой отсчетного устройства называется совокупность отметок (штрихов, делений), расположенных по дуге окружности (или прямой линии) и изображающих ряд последовательных числовых значений измеряемой величины. Указатель - любая подвижная часть прибора, которая перемещаясь относительно шкалы прибора, отмечает деление, соответствующее значению измеряемой величины.

Параметрами каждой шкалы  являются: длина шкалы L, длина деления, цена деления, ширина штрихов, масштаб шкалы μ_н.

Делением шкалы называется участок носителя шкалы, заключенный  между осями двух соседних штрихов. Расстояние b между соседними штрихами, измеренное по дуге носителя шкалы, называется длиной деления шкалы или интервалом шкалы. Число единиц измеряемой величины Н, приходящееся на одно деление шкалы, называется ценой деления. Отношение μ_н = H/b представляет собой масштаб шкалы.

В измерительных приборах с непосредственным отсчетом по шкале, чаще всего применяют указатели  в виде стрелок и индексы в  виде штрихов. Наибольшее распространение  получили стрелки стержневого, коньевидного и других типов.

Конструкции шкал и стрелок, вновь создаваемых приборов должны обеспечивать требуемую точность отсчета, наилучшие условия для восприятия показаний оператором, возможность установки нулевого положения и устойчивыми к внешним воздействиям.

Для данного прибора  выбираем коньевидную стрелку, конец которой заострен под углом 40^O. Выбирем ширину стрелки равной 2 мм, а длину - 50 мм. Стрелка изготовлена из алюминия АЛ 2, также как и шкала.

 Отметки на шкалу  наносят зубцом, потом отмечают  краской. Величина больших отметин равна 6 мм, а меньших – 3 мм. Для лучшего восприятия глазом человека, шкалу выбирают белого цвета, а отметины наносят черным.

По классификации выбираем следующую шкалу: цифровая с нулем, односторонняя и однострочная, неподвижная  и равномерная (рис.8).

Определим основные параметры шкалы, исходя из того, что класс точности прибора γ = 0,5.

Найдем минимальную цену деления:

где γ – класс точности;

x_max – максимальное значение на шкале;

Δx – ошибка измерения;

x_max = 30 МПа,      γ = 2,5   тогда Δх = (2,5ּ30)/100 = 0,75 МПа.

Следовательно, минимальная  цена деления должна быть не менее  ошибки измерения, однако чаще для удобства чтения выбирается шкала кратная 1,2 и 5. В нашем случае наиболее удобна шкала с кратностью равной 2. Тогда  цена деления прибора будет равна 1 МПа.

Определим min число делений шкалы:

n_min = 1/(2ּγ) = 100%/(2ּ2,5) = 40 делений.

При цене деления 1 МПа  максимальное измеряемое давление будет:

1ּ30 = 30 МПа.

Определим рабочую длину  шкалы L из соотношения:

D_ш = (L/π)ּ(360˚/α_ш), отсюда L = (D_шּπּα_ш)/360˚;

где D_ш = 55 мм - диаметр шкалы;

α_ш = 270˚ - угол шкалы;

Таким образом, получаем, что L = 130 мм.

Тогда расстояние между  соседними делениями будет равно: b = L/n = 1,3 мм.

3.2 Корпус и крепление.

 

Корпус манометра выбираем круглой формы, разборный. Внутри корпуса  начинается переходник, к которому крепятся составные части прибора (внутри корпуса) и подачи давления в трубку манометра (вне корпуса).

Исходя, из обычных режимов работы, корпус будет сделан из дюралюминия, марки Д16.

Трубка манометра крепиться  к переходнику с помощью пайки. К подвижному концу трубки припаивается крючок, к которому крепится пластина. Второй конец пластины соединяется  с крючкообразным хвостовиком зубчатого сектора. Зубчатый сектор вращает триб, который запресован на вал. Элементы зубчатой передачи и тягу (пластину) изготовливают из нержавеющей стали марки 1Х18Н9Т.

Опора для крепления  неподвижной части трубки изготовлена  из стали 1Х18Н9Т, которая крепится к корпусу манометра с помощью пайки. В качестве припоя используется сплав марки ПОС 40.

 Шарнирный элемент,  соединение тяги с зубчатым  сектором, изготовлен из бронзы  марки БрБ2.

 

 

4. Порядок сборки и разборки

1. Держатель 4 крепим к корпусу с помощью 4-х винтов.
2. К пружинной трубке 5 припаиваем наконечник 6.
3. Трубку припаиваем к держателю 4.
4. Прессуем зубчатый сектор 8 на ось 10.
5. С помощью шарниров крепим наконечник 6  и зубчатый сектор 8.
6. На оси в корпусе прессуем зубчатый сектор 8.
7. Припаиваем внутренний конец спиральной пружины 12 к оси корпуса.

8. Ось с трибкой устанавливаем таким образом, чтобы обеспечивался прижим зубчатого сектора с трибкой и устраняя при этом мертвый ход.

9. Крепим ось зубчатого сектора шплинтом 24.
10. Припаиваем к шкале 9 ограничитель 15.
11. Устанавливаем шкалу 9 в корпусе с помощью двух винтов 22.

12. Прессуем стрелку 18 на оси.

13. Устанавливая стекло 3 между двумя резиновыми прокладками 16 и 17, прижимаем его к корпусу верхней крышкой 2, закрепленной тремя винтами 21.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Расчет погрешностей

1. Трубчатая пружина

Температурная погрешность  упругого элемента:

Е = Е₀(1 – α_EּΔt);

где Е - модуль упругости  при t = 55 ⁰С;

Е₀ - модуль упругости при t = 20 ⁰С;

α_E - температурный коэффициент модуля упругости в 1 ⁰С;

Δt = 55 – 20 = 35 ⁰C; α_E = 3,5ּ10 ^{– 4} 1 ⁰C.

Тогда модуль упругости  при t = 55 ⁰С будет равен: Е = 1,976*10⁶ кг*с/см².

Тогда изменится и  относительная угловая деформация:

Δγ/γ=0,114  . 

Это изменение приведет к изменению линейного перемещения:

λ_r =0,114ּ3ּ(1 – 0) = 0,334см,

λ_t =0,114ּ3ּ(4,7368 +1) =  1,962

λ₀=1,99.

Отсюда абсолютная погрешность  равна:

Δ_λ = λ₀ – λ = 1,99- 1,95 = 0,04 см

Относительная погрешность: δ_λ = Δ_λ/ λ₀ = 2,01 %

Пластина (тяга) совершающая  рычажную передачу, не производит никаких  измерений физических величин, т.е. передает линейное перемещение конца трубки к зубчатому сектору.

Таким образом, абсолютная погрешность пластины будет определяться абсолютной погрешностью трубки, т.е. Δ_L = 0,036 мм.

2. Зубчатая передача

Произведем расчет погрешности  зубчатой передачи по формуле:

Δφ = j_n/(r ּ cosα);

где j_n - величина бокового зазора;

r - радиус делительной окружности, r = 25,6 мм;

α = 20˚ - угол зацепления;

Величина минимального бокового зазора равна:

j_n = 2ּa_ωּΔt (α ₁ – α ₂)ּsinα +V;

где V - величина слоя смазки, V = 0,1ּm = 0,1ּ0,8 = 0,08 мм;

α ₁ – температурный коэффициент линейного расширения корпуса,                      

α ₁ = 20,6ּ10 ^{– 6} 1/˚C;

α ₂ – температурный коэффициент линейного расширения большого       

колеса, α ₂ = 17,1ּ10 ^{– 6} 1/˚C;

Δt = 50 ⁰C – отклонение температуры корпуса и колеса от 20˚С.

Тогда величина минимального бокового зазора:

j_n = 2ּ32ּ50 ⁰C((20,6 – 17,1)ּ10 ^{– 6} )sin20⁰С + 0,08 = 0,09 мм.

Отсюда Δφ = 0,09/(25,6ּcos20˚) = (8,615ּ10 ^{– 3} ) ⁰ .

3. Система отсчета.

Погрешность отсчета по шкале складывается из ошибок шкального механизма и ошибок оператора. Основными ошибками механизма являются ошибки изготовления шкалы и ее установки в корпусе прибора, смещение оси вращения циферблата (или указателя) вследствие наличия зазоров в опорах.

 Допускаемые отклонения между штрихами шкалы устанавливаются в пределах Δz = ±0,2 мм, поэтому при диаметре шкалы D = 2R ошибка угла поворота (рад) Δφ_z = ±Δz/R, или (мин) Δφ_z = (Δz/R)ּ360ּ60/2π = 3440Δz/R.      Для шкалы D = 55 мм, эта ошибка составит

Δφ_z = ± 3440ּ0,02ּ2/55 = ± 20'.

Смещение центра шкалы  относительно оси вращения (эксцентриситет) ограничивается значениями е = 0,05...0,07 мм. Соответствующая ошибка (рад) Δφ_е= e/R или (мин) 3440е/R. Для шкалы D = 55 мм

Δφ_е = (3440ּ2/55) (0,05 ... 0,07) = ±(5,3...7,4').

Ошибка, возникающая вследствие наличия зазора s в подшипниках оси вращения (рад), Δφ_s = 1/2)ּ(s/R) = s/D или (мин) 3440ּs/D. Обычно s ≤ 0,02 мм, поэтому для устройства со шкалой D = 55 мм Δφ_s = 3440ּ0,02/55= 1,05'.

Погрешности, возникающие  непосредственно при отсчете (погрешности оператора), обусловлены явлением параллакса и неточностью совмещения указателя со штрихами шкалы.

Параллаксом принято  называть видимое несовпадение совмещаемых штрихов шкалы с указателем вследствие того, что луч зрения оператора направлен не вдоль нормали n – n к плоскости шкалы (рис.9), а под углом α к ней. Значение ошибки отсчета от параллакса зависит от этого угла и расстояния h между плоскостью шкалы и указателем. Для шкалы диаметра D = 55 мм, например, при h = 2 мм и α_mах = 30° ошибка отсчета от параллакса составит

Δφ_п = (2ּ2/55)ּtg30˚ ≈ 0,0356 рад

                            

 

Э

 

 

 

 

 

 

 

Рис.9.

Погрешность от неточности совмещения Δz_c зависит от качества выполнения указателя и штрихов шкалы, их взаимного расположения, квалификации и внимания оператора. Для шкальных механизмов с интервалами шкалы b = 1…2 мм обычно принимают Δz_с = 0,1ּb = 0,1...0,2 мм. При этом ошибка отсчета по шкале диаметра D = 55 мм Δφ_c = Δz_c/R = 2ּΔz_c/D = 2ּ(0,1…0,2)/55 = 10…20'.

Перечисленные ошибки, сумма которых составляет полную абcолютную погрешность отсчета, дают представление о возможных погрешностях шкальных устройств. В действительности эти ошибки являются случайными величинами, поэтому практически возможные предельные значения суммарной ошибки при нормальном законе ее распределения

Δ = Δφ_пред = М (Δφ) ± 3ּσ_Δφ,

 

 

где  - математическое ожидание суммарной ошибки   отсчета   (n – число первичных ошибок);

- среднее квадратичное  отклонение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

В ходе выполнения данной работы мы ознакомились с прибором измерения давления - манометром. Рассчитали все его основные составные части: чувствительный элемент; кривошипно - шатунный механизм; зубчатую передачу; моментную спиральную пружину и шкалу прибора.

Получили зависимость изменения модуля упругости (Е) материала трубки от изменения температуры: увеличение температуры приводит к изменению модуля упругости стальной трубки в меньшую сторону и увеличению линейного перемещения.

Таким образом разработанный  нами манометр позволяет измерять давление в диапазоне от 0 до 30 МПа в диапазоне  рабочих температур +5 ¸ +55 ⁰С.

Класс точности прибора  выдержан и не превышает 2,5. Данный манометр можно использовать во всех климатических  условиях работы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы

1. Элементы приборных устройств: Курсовое проектирование. Учебн. пособие для вузов. В 2-х ч. Ч.1,2. Расчеты и конструирование/Н.П. Нестерова, А.П. Коваленко, О.Ф. Тищенко и др.; Под ред. О.Ф. Тищенко. -М.: Высш. Школа, 1978. - 328 с., ил.
2. Вопилкин Е.А. Расчет и конструирование механизмов приборов и систем: Учеб. Пособие для студентов вузов. - М.: Высш. школа, 1980. - 463 с., ил.
3. Мягков В.Д. Краткий справочник конструктора. Изд. 2 - е, доп. и переработ. Л., «Машиностроение» (Ленингр. отделение), 1975.-816 с., ил.
4. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы: Учебник для вузов по специальности «Автоматизация теплоэнергетических процессов». - 3 - е изд., перераб. - М.: «Энергия», 1978. - 704 с., ил.
5. Справочник по сопротивлению материалов/ Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В.; Отв. Ред. Писаренко Г.С. - 2 - е изд., перераб. и доп. - Киев: Наук. думка, 1988. - 736 с., ил.
6. Лаврова А.Т. Элементы автоматических приборных устройств. Учебное пособие для вузов. М., «Машиностроение», 1975. - 456 с., ил.
7. Опоры осей и валов машин и приборов/ Спицын Н.А., Машнев М.М., Красковский Е.Я. и др. Л., 1970.
8. Каминский М.Л., Каминский В.М. Монтаж приборов и систем автоматизации: Учеб. для СПТУ - 6 - е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1988. - 296 с.: ил.
9. С.С. Миловидов Упругие элементы приборов: Учебное пособие - М.: 1970. - 71 с., ил.
10. Генек Н.Ф. Манометры.