Деформационные датчики давления реферат

Обновлено: 28.06.2024

Характеристикой давления является сила, которая равномерно воздействует на единицу площади поверхности тела. Эта сила оказывает влияние на различные технологические процессы. Давление измеряется в паскалях. Один паскаль равен давлению силы в один ньютон на площадь поверхности в 1 м 2 . Применяют приборы для измерения давления.

Виды и работа

Приборы для измерения давления, называются манометрами. В технике чаще всего приходится определять избыточное давление. Значительный интервал измеряемых величин давлений, особые условия измерения их во всевозможных технологических процессах обуславливает разнообразие видов манометров, которые имеют свои различия по конструктивным особенностям и по принципу работы.

Виды давления

Атмосферное давление образуется атмосферой Земли.
Вакуумметрическое давление – это давление, не достигающее величины атмосферного давления.
Избыточное давление – это величина давления, превосходящая значение атмосферного давления.
Абсолютное давление определяется от величины абсолютного нуля (вакуума).

Барометры

Барометром называют прибор, измеряющий давление воздуха в атмосфере. Существует несколько видов барометров.

Ртутный барометр действует на основе перемещения ртути в трубке по определенной шкале.

Жидкостный барометр работает по принципу уравновешивания жидкости давлением атмосферы.

Барометр-анероид работает на изменении размеров металлической герметичной коробки с вакуумом внутри, под действием давления атмосферы.

Электронный барометр является более современным прибором. Он преобразовывает параметры обычного анероида в цифровой сигнал, отображающийся на жидкокристаллическом дисплее.

Жидкостные манометры

В этих моделях приборов давление определяется высотой столба жидкости, которое выравнивает это давление. Жидкостные приборы для измерения давления чаще всего выполняют в виде 2-х стеклянных сосудов, соединенных между собой, в которые залита жидкость (вода, ртуть, спирт).

Рис-1

Один конец емкости соединен с измеряемой средой, а второй открыт. Под давлением среды жидкость перетекает из одного сосуда в другой до выравнивания давления. Разность уровней жидкости определяет избыточное давление. Такими приборами замеряют разность давлений и разрежение.

На рисунке 1а изображен 2-х трубный манометр, измеряющий вакуум, избыточное и атмосферное давление. Недостатком является значительная погрешность измерения давлений, имеющих пульсацию. Для таких случаев применяют 1-трубные манометры (рисунок 1б). В них один край сосуда большего размера. Чашка соединена с измеряемой полостью, давление которой передвигает жидкость в узкую часть сосуда.

При замере берется во внимание только высота жидкости в узком колене, так как жидкость изменяет свой уровень в чашке незначительно, и этим пренебрегают. Чтобы произвести замеры малых избыточных давлений используют 1-трубные микроманометры с трубкой, наклоненной под углом (рисунок 1в). Чем больше наклон трубки, тем точнее показания прибора, вследствие увеличения длины уровня жидкости.

Особой группой считаются приборы для измерения давления, в которых движение жидкости в емкости действует на чувствительный элемент – поплавок (1) на рисунке 2а, кольцо (3) (рисунок 2в) или колокол (2) (рисунок 2б), которые связаны со стрелкой, являющейся указателем давления.

Рис-2

Преимуществами таких приборов является дистанционная передача и их регистрация значений.

Деформационные манометры

В технической области приобрели популярность деформационные приборы для измерения давления. Их принцип работы заключается в деформации чувствительного элемента. Эта деформация появляется под действием давления. Упругий компонент связан со считывающим устройством, имеющим шкалу с градуировкой единицами давления.

Деформационные манометры делятся на:

Пружинные.
Сильфонные.
Мембранные.

Рис-3

Пружинные манометры

В этих приборах чувствительным элементом является пружина, соединенная со стрелкой передаточным механизмом. Давление воздействует внутри трубки, сечение старается принять круглую форму, пружина (1) пытается раскручиваться, в результате стрелка передвигается по шкале (рисунок 3а).

Мембранные манометры

В этих приборах упругим компонентом является мембрана (2). Она прогибается под давлением, и воздействует на стрелку с помощью передаточного механизма. Мембрану изготавливают по типу коробки (3). Это увеличивает точность и чувствительность прибора из-за большего прогиба при равном давлении (рисунок 3б).

Сильфонные манометры

В приборах сильфонного типа (рисунок 3в) упругим элементом является сильфон (4), который выполнен в виде гофрированной тонкостенной трубки. В эту трубку воздействует давление. При этом сильфон увеличивается в длину и с помощью механизма передачи передвигает стрелку манометра.

Сильфонные и мембранные виды манометров используют для замеров незначительных избыточных давлений и вакуума, так как упругий компонент имеет небольшую жесткость. При применении таких приборов для измерения вакуума они получили название тягомеров. Прибор, измеряющий избыточное давление, является напоромером, для измерения избыточного давления и вакуума служат тягонапоромеры.

Приборы для измерения давления деформационного типа имеют преимущество в сравнении с жидкостными моделями. Они позволяют производить передачу показаний дистанционно и записывать их в автоматическом режиме.

Это происходит вследствие преобразования деформации упругого компонента в выходной сигнал электрического тока. Сигнал фиксируется приборами измерений, которые имеют градуировку по единицам давления. Такие приборы имеют название деформационно-электрических манометров. Широкое использование нашли тензометрические, дифференциально-трансформаторные и магнитомодуляционные преобразователи.

Дифференциально-трансформаторный преобразователь

Рис-4

Принципом работы такого преобразователя является изменение силы тока индукции в зависимости от величины давления.

Приборы с наличием такого преобразователя имеют трубчатую пружину (1), которая передвигает стальной сердечник (2) трансформатора, а не стрелку. В итоге изменяется сила индукционного тока, подающегося через усилитель (4) на измерительный прибор (3).

Магнитомодуляционные приборы для измерения давления

В таких приборах усилие преобразуется в сигнал электрического тока вследствие передвижения магнита, связанного с упругим компонентом. При движении магнит воздействует на магнитомодуляционный преобразователь.

Электрический сигнал усиливается в полупроводниковом усилителе и поступает на вторичные электроизмерительные устройства.

Тензометрические манометры

Преобразователи на основе тензометрического датчика работают на основе зависимости электрического сопротивления тензорезистора от величины деформации.

Тензодатчики (1) (рисунок 5) фиксируются на упругом элементе прибора. Электрический сигнал на выходе возникает вследствие изменения сопротивления тензорезистора, и фиксируется вторичными устройствами измерения.

Электроконтактные манометры

В схемах сигнализации, системах авторегулирования технологических процессов, приборах тепловой защиты популярными стали электроконтактные манометры. На рисунке изображена схема и вид прибора.

Упругим компонентом в приборе выступает трубчатая одновитковая пружина. Контакты (1) и (2) выполняются для любых отметок шкалы прибора, вращая винт в головке (3), которая находится на внешней стороне стекла.

При уменьшении давления и достижении его нижнего предела, стрелка (4) с помощью контакта (5) включит цепь лампы соответствующего цвета. При возрастании давления до верхнего предела, который задан контактом (2), стрелка замыкает цепь красной лампы контактом (5).

Классы точности

Измерительные манометры разделяют на два класса:

Образцовые приборы определяют погрешность показаний рабочих приборов, которые участвуют в технологии производства продукции.

Класс точности взаимосвязан с допустимой погрешностью, которая является величиной отклонения манометра от действительных величин. Точность прибора определяется процентным соотношением от максимально допустимой погрешности к номинальному значению. Чем больше процент, тем меньше точность прибора.

Образцовые манометры имеют точность намного выше рабочих моделей, так как они служат для оценки соответствия показаний рабочих моделей приборов. Образцовые манометры применяются в основном в условиях лаборатории, поэтому они изготавливаются без дополнительной защиты от внешней среды.

Пружинные манометры имеют 3 класса точности: 0,16, 0,25 и 0,4. Рабочие модели манометров имеют такие классы точности от 0,5 до 4.

Применение манометров

Приборы для измерения давления наиболее популярные приборы в различных отраслях промышленности при работе с жидким или газообразным сырьем.

ле, которые преобразуются передаточными механизмами в угловое или линейное перемещение указателя по шкале прибора.

По виду упругого чувствительного элемента пружинные приборы

делятся на следующие группы:

- приборы с трубчатой пружиной;

Манометры с трубчатой пружиной – один из наиболее распространенных видов деформационных приборов. Чувствительным элементом таких приборов является согнутая по дуге окружности и запаянная с одного

конца трубка 1 (трубка Бурдона) эллиптического (рис. 32.а), плоскоовального (рис. 32.б) или круглого сечения (рис. 32.в).

Рис. 32. Трубчатые пружины

Третий вид трубок выполняют из легированной стали и используют для измерения высоких давлений (свыше 98 МПа). Одним концом трубка заделана в держатель 2, оканчивающийся ниппелем с резьбой для присоединения к полости, в которой измеряется давление. Внутри держателя есть канал, соединяющийся с внутренней полостью трубки. Если в трубку подать жидкость, газ или пар под избыточным давлением, то кривизна трубки уменьшается и она распрямляется; при создании разрежения внутри трубки кривизна ее возрастает, и трубка скручивается. Свойство изогнутой трубки некруглого сечения изменять величину изгиба при изменении давления обусловлено изменением формы сечения. Под действием давления внутри трубки эллиптическое или овальное сечение, деформируясь, приближается к круговому, что приводит к раскручиванию трубки, т.е. угловому перемещению ее свободного конца на небольшую величину Δ. В трубках круглого сечения, благодаря эксцентричному каналу, избыточное давление, действуя на заглушку свободного конца трубки, создает момент, вызывающий уменьшение ее кривизны.

Перемещение свободного конца до определенного предела пропорционально давлению Δ=k·P. При дальнейшем повышении давления линейная зависимость нарушается – деформация начинает расти быстрее увеличения давления. Предельное давление, при котором еще сохраняется линейная зависимость между перемещением конца трубки и давлением, называется пределом пропорциональности трубки P_п. Предел

пропорциональности является важнейшей характеристикой трубки. При

переходе давления за предел пропорциональности трубка приобретает

остаточную деформацию и становится непригодной для измерения. Чтобы

не допустить возникновения остаточной деформации, наибольшее рабочее

давление Р_max (разрежение или разность давлений) назначают ниже

предела пропорциональности P_п. Отношение Р_п/P_max = k называется

коэффициентом запаса. Во всех случаях коэффициент k должен быть

больше единицы. Для максимального увеличения долговечности трубки и

снижения влияния упругого последействия принимают k = 1,35 ÷ 2,5.

В соответствии с этим шкалу манометра (верхний предел измерения)

выбирают таким образом, чтобы рабочий предел измерения (наибольшее

рабочее давление) был не более 3/4 верхнего предела измерения при по-

стоянном давлении и не более 2/3 верхнего предела измерения при пере-

Верхние пределы измерения манометра выбирают из ряда: (1; 1,6;

2,5; 4 ;6) · 10 n , где n - целое положительное или отрицательное число.

Перемещение Δ свободного конца трубки под действием давления

весьма невелико, поэтому в конструкцию прибора введен передаточный механизм, увеличивающий масштаб перемещения конца трубки. Конструкция манометра с трибко-секторным передаточным механизмом показана на рис. 33.а. Перемещение свободного конца трубчатой пружины

Рис. 33. Манометры с трубчатой пружиной

1 через поводок 2 передается зубчатому сектору 3, который приводит во вращение трибку 4 с закреплённой на ней указательной стрелкой 5. В результате перемещение свободного конца трубчатой пружины преобразуется в перемещение стрелки. Для устранения люфта передаточного механизма трибка подпружинена с помощью спиральной плоской пружины.

Иногда применяются манометры с рычажным передаточным механизмом. Такие манометры проще в регулировке, обладают малой чувствительностью к вибрациям, просты в изготовлении и имеют меньшую стоимость. Недостатком этих приборов является узкая шкала (60 – 70°) и невысокий класс точности – 2,5 и 4,0.

Мембранные приборы. Приборы с чувствительным элементом в

виде плоских и гофрированных мембран, мембранных коробок и мембран-

ных блоков применяют для измерения небольших избыточных давлений и

разрежений (манометры, напоромеры и тягомеры), а также перепадов дав-

ления (дифманометры). Мембрана представляет собой тонкий диск определенного диаметра, выполненный из металла или специального упругого материала, который жестко закрепляется по периметру в измерительном блоке (рис. 34). Под воздействием измеряемого давления Р₁ (при условии Р₁> Р₂, где Р₂ – внешнее давление) происходит прогиб мембраны на величину h, что в дальнейшем приводит к преобразованию этого перемещения во вращательное движение стрелки прибора.

Рис. 34. Мембрана и её прогиб

Рис. 35. Упругие мембраны

Применяют плоские и гофрированные упругие мембраны (рис.35, a,б). Наличие гофров делает статическую характеристику мембраны более линейной.

Упругие мембраны используют, преимущественно, как чувствительные элементы в первичных преобразователях, например, в дифманометрах. Величина прогиба мембраны является сложной функцией действующего на нее давления, ее геометрических параметров (диаметра, толщины, числа и формы гофров), а также модуля упругости материала мембраны. Число, форма и размеры гофра зависят от назначения прибора, пределов измерения и других факторов. Гофрировка мембраны увеличивает ее жесткость, т.е. уменьшает прогиб при одинаковом давлении. Из-за сложности расчета в большинстве случаев характеристику мембраны подбирают опытным путем. Для увеличения прогиба в приборах для малых давлений (разрежений) мембраны попарно соединяют (сваркой или пайкой) в мембран-

ные коробки (рис. 36,а), а коробки – в мембранные блоки (рис. 36,б).

Рис. 36. Мембранные чувствительные элементы

Мембраны применяются в качестве чувствительных элементов при измерении давлений вязких и загрязненных сред. Такие приборы менее чувствительны к вибрациям и пульсациям измеряемой среды, применимы при соответствущей защите мембраны для измерения давления агрессивных сред. На рис.37 показана схема манометра, в котором мембрана 1 герметично приварена к фланцу 2. В центре мембраны закреплен шток 3, соединенный с рычагом зубчатого сектора 4. Зубчатый сектор приводит во вращение трибку 5, на оси которой насажена указательная стрелка 6. Крепежные отверстия 7 предназначены для монтажа прибора к соответствующему фланцу, приваренному к технологическому трубопроводу.

Мембранные манометры могут выполняться как с открытой мембраной (рис.37, а), так и с подводящим штуцером (рис.37, б), а также с дополнительным фланцем (рис.37, в),

Рис. 37. Мембранный манометр для измерения давления вязких и загрязненных сред, а также виды его присоединительных фланцев

Сильфонные приборы. Сильфон – это тонкостенная металлическая

камера с гофрированной боковой поверхностью (рис.38). Изготавливают

сильфоны из латуни, а также из нержавеющей стали или бериллиевой

бронзы. Они применяются в качестве чувствительных элементов приборов

давления, которые своевременно и точно реагируют на изменение давле-

ния. При действии нагрузки (внешнего Р₂ или внутреннего Р₁ давления) длина сильфона изменяется, увеличиваясь или уменьшаясь в зависимости от направления приложенной силы. Наличие гофров позволяет перемещать подвижную часть сильфона на значительное расстояние

(десятки миллиметров) без заметного изменения его характеристик. Выходная координата сильфона - перемещение h, входные - давления Р₁ и Р₂ или их разность ΔР.

Рис. 38. Сильфон

Существенными недостатками сильфонов являются значительный

гистерезис и некоторая нелинейность характеристики. Для увеличения

жесткости, уменьшения влияния гистерезиса и нелинейности часто внутрь

сильфона помещают винтовую цилиндрическую пружину. В этом случае

характеристика сильфона изменяется, так как к жесткости сильфона

добавляется жесткость пружины. Жесткость пружины обычно в несколько

раз превышает жесткость сильфона, благодаря чему резко уменьшается влияние гистерезиса сильфона и некоторой нелинейности его

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ - конструкции, предназначенные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Папиллярные узоры пальцев рук - маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Манометр (от греч. manos-неплотный и metron-мера, metreo-измеряю), прибор для измерений давления, жидкости и газа.

В зависимости от конструкции чувствительности элемента различают манометры жидкостные, поршневые, деформационные и пружинные; используются также зависимости, некоторых физических величин от давления. Различают абсолютные манометры - измеряют абсолютное давление, манометры избыточного давления - измеряют разность между давлением в какой-либо системе и атмосферным давлением, барометры, дифманометры, вакуумметры.

Преобразователи давления типа МЭД предназначены для непрерывного преобразования избыточного или вакуумметрического давления в унифицированный выходной сигнал переменного тока, основанный на изменении взаимной индуктивности.

Приборы применяются на неподвижных объектах (в стационарных условиях) для работы в комплексе с вторичными взаимозаменяемыми дифференциально-трансформаторными приборами, машинами централизованного контроля и другими приемниками информации, способными принимать стандартный сигнал в виде взаимной индуктивности.

1 Методы и средства измерения данного параметра

1.1 Методы измерения выбранного параметра

Методы средства измерения давления основаны на сопоставлении сил измеряемого давления с силами:

- давление столба жидкости (ртути, воды) соответствующей высоты;

- развиваемыми при деформации упругих элементов (пружин, мембран, монометрических и анероидных коробок, сильфонов и манометрических трубок);

- упругими силами, возникающими при деформации некоторых материалов и вызывающими электрические эффекты.

В соответствии с указанными методами средства измерения параметров давления можно разделить на жидкостные, деформационные, грузопоршневые и электрические. Наибольшее распространение в промышленности получили деформационные средства измерения. Остальные, в основном, применяются в лабораторных условиях в качестве образцовых или исследовательских.

Средства измерения давления подразделяются на барометры (для измерения атмосферного давления), манометры (для измерения избыточного давления), вакуумметры (для измерения вакуумметрического давления), манометры абсолютного давления (для измерения давления, отсчитываемого от абсолютного нуля), дифференциальные манометры (для измерения разности давления).

1.2 Трубчатая пружина

Преобразователем манометра МЭД служит трубчатая пружина (см. рисунок 1).

Трубчатая пружина представляет собой тонкостенную, согнутую по дуге окружности, трубку (одно- или многовитковую) с запаянным одним концом, которая изготавливается из медных сплавов или нержавеющей стали. При увеличении или уменьшении давления внутри трубки пружина раскручивается или скручивается на определенный угол.

Для изготовления трубчатых пружин необходим материал с высокой упругостью, антикоррозионностью, малой зависимостью параметров от изменения температуры, который также должен хорошо поддаваться технологической обработке, пайке, сварке. Указанным требованиям отвечают бронза, латунь и хромоникелевые сплавы.

Трубку в приборе располагают так, чтобы малая ось сечения лежала в полости изгиба трубки. При заполнении полости трубки газом или жидкостью под давлением происходит деформация сечения в направлении приближения к ее круглому, это вызывает появление усилий, которые заставляют трубку разгибаться. Таким образом, в пружинных приборах используется свойство спиральной трубки раскручиваться при увеличении давления внутри нее и сжиматься при уменьшении давления.

Рисунок 1 – Чувствительный элемент

2 Описание средства измерения

2.1 Технические характеристики средства измерения

Для преобразователя давления типа МЭД взаимозаменяемый соответствуют следующие характеристики:

- верхний предел измерений избыточного давления 2,5 МПа;

- измеряемая среда жидкость;

- выходным сигналом прибора является взаимная индуктивность;

- класс точности 1;

- основная погрешность составляет 1%;

- частота питающего тока 50 Гц;

- вероятность безотказной работы приборов за 2000 ч. не менее 0,98;

- масса прибора не более 2 кг.

2.2 Устройство и принцип действия манометра

Действие манометра типа МЭД основано на использовании деформации упругого чувствительного элемента при воздействии на него измеряемого давления.

Устройство простейшего пружинного манометра представлено на рисунке 2. Чувствительный элемент прибора, воспринимающий сигнал давления, выполнен в форме согнутой по кругу на угол 270 полой трубки 2 с поперечным сечением в виде эллипса или плоского овала. Один конец трубки свободный и наглухо закрыт, а другой конец ее впаян в держатель, который присоединяется к источнику измеряемого давления при помощи штуцера 8. Закрытый конец трубки поводком 7 соединен с зубчатым сектором 6, который сцеплен с маленькой шестеренкой (трибкой) 5, сидящей на одной оси с указывающей стрелкой 4. Под действием избыточного давления трубка изгибается, закрытый (свободный) конец трубки перемещается и тянет поводок 7, который поворачивает связанный с ним зубчатый сектор 6. Перемещаясь, зубчатый сектор вращает трибку 5 с насаженной на ее ось стрелкой, указывающей по шкале 3 величину измеряемого давления. Чтобы избежать мертвого хода между зубцами сектора и трибкой, применена спиральная пружинка 9, прижимающая трибку к одной стороне зубцов сектора. Указанные элементы смонтированы в корпусе 1. Манометры регулируют изменением длины поводка и перемещением точки его соединения с хвостовиком зубчатого сектора.

Рисунок 2 – Пружинный манометр

Компенсация температурной погрешности, вызванной изменением линейных размеров деталей, осуществлена подбором металлов с определенными коэффициентами линейного расширения.

2.3 Условия эксплуатации, размещение и монтаж

Место установки приборов должно позволять производить периодическое обслуживание и поверку приборов в условиях объекта.

При определении места установки прибора необходимо соблюдать следующие условия:

а) соединительные линии проводят от места отбора давления к прибору по кратчайшему расстоянию, однако длина линий должна быть такой, чтобы температура среды, поступающей в прибор, не отличалась от температуры окружающего воздуха. Рекомендуемое расстояние от места отбора давления до прибора – не более 15 м.

При выборе длины соединительных линий следует учитывать ее влияние на динамические характеристики прибора;

б) температура воздуха в помещении может находиться в пределах от -30˚С до +50˚С;

При эксплуатации приборов в условиях воздействия минусовых температур не допускайте кристаллизации измеряемой среды или выкристаллизовывания из нее отдельных компонентов, а также замерзания измеряемой среды;

в) частота вибрации, передаваемой на прибор, не должна превышать 25 Гц при амплитуде не более 0,1 мм;

г) место установки должно позволять быстро и удобно демонтировать прибор.

Прибор нельзя устанавливать во взрывоопасных помещениях.

Наиболее благоприятные условия для работы прибора: температура (20 ± 5)˚С; относительная влажность до 80%; отсутствие вибрации и ударных сотрясений, окружающая среда не должна быть сильно запыленной.

Нужно избегать размещения приборов вблизи мощных источников переменных магнитных полей, трансформаторов, электромоторов и т.д.

Присоединение прибора к внешним электрическим цепям производится в строгом соответствии с инструкцией по эксплуатации на вторичные приборы или устройства.

При монтаже для прокладки линии связи рекомендуется применять:

а) кабели контрольные с резиновой и пластмассовой изоляцией по ГОСТ 1508;

б) кабели для сигнализации и блокировки с полиэтиленовой изоляцией в пластмассовой оболочке по ГОСТ 6436.

При демонтаже прибора необходимо:

а) отключить прибор от вторичного устройства, сняв с прибора штепсельный разъем с подключенным кабелем, и приняв меры, предохраняющие разъем от повреждения;

б) с помощью вентилей перекрыть импульсную линию подвода давления и отсоединить прибор.

При выполнении работ по монтажу и демонтажу приборов нужно соблюдать следующие правила:

а) применять инструмент ключи (отвертки) только соответствующего размера;

б) предохранять прибор от падения, ударов и повреждений лакокрасочных покрытий.

3 Погрешность прибора

Погрешность измерения определяется основными и дополнительными погрешностями.

Основная погрешность определяется методами измерения и принципом действия прибора.

Дополнительная погрешность появляется при эксплуатации прибора в условиях отличных от нормальных. В паспорте на данный прибор указана погрешность 1%.

Отсюда следует, что абсолютная погрешность равна 0,001.

Дополнительная погрешность в паспорте на данный прибор не представлена.

4 Метрологическое обеспечение средства измерения

4.1 Поверяемые параметры

Поверка технического состояния приборов производится путем снятия метрологических характеристик.

Техническое обслуживание включает:

б) поверку метрологических характеристик.

Затем поверку рекомендуется производить не реже одного раза в месяц. В зависимости от условий эксплуатации и результата поверок интервал между ними может быть увеличен или уменьшен.

4.2 Условия поверки средств измерения

Поверка метрологических характеристик (основной погрешности и вариации) производится при соблюдении следующих условий:

а) приборы должны быть установлены в рабочем положении;

б) приборы должны быть выдержаны не менее шести часов при температуре окружающего воздуха (20±5)˚С;

в) приборы должны находиться во включенном состоянии не менее 45 минут;

г) ток питания первичной цепи прибора должен быть (125±2,5)мА;

д) частота питающего тока должна быть (50±0,5)Гц;

е) давление должно изменяться плавно;

ж) тряска, вибрация и удары, влияющие на работу прибора, должны отсутствовать;

з) внешние электрические и магнитные поля, кроме земных влияющие на работу приборов, должны отсутствовать;

В качестве рабочей среды для создания давления при поверке приборов с верхним пределом измерений до 25 MPa включительно используют воздух или нейтральный газ, а свыше 0,25 MPa – воздух, дистиллированную воду с добавкой хромпика или трансформаторное масло.

При создании давления жидкостью штуцер образцового манометра должен располагаться на уровне штуцера поверяемого прибора, соединительная трубка между ними должна располагаться горизонтально. Допускаемая разность уровней установки образцового и поверяемого приборов не более 50 мм.

При нулевом значении давления для манометров с помощью магазина комплексной взаимной индуктивности компенсируют остаточную взаимную индуктивность. При всех дальнейших операциях положение курбеля остаточной взаимной индуктивности магазина не изменяют.

Прибор поверяют при давлении, равном нижнему пределу измерений, трем-четырем промежуточным значениям и верхнему пределу измерений.

Если при поверке прибора окажется, что основная погрешность превышает допускаемую, а также в случае замены узлов прибора необходимо произвести наладку и тарировку прибора.

В прибор подают давление, равное верхнему пределу измерений; при этом на магазине устанавливают значение выходного сигнала 10 м .вращением оси переменного сопротивления на приборе и установкой курбеля на магазине добиваются минимального разрыва светового пятна вибрационного гальванометра. Затем поверяют метрологические характеристики по указанной выше методике.

4.3 Контрольно-измерительные приборы

При поверке приборов могут быть применены следующие контрольные средства:

- мановакуумметры грузопоршневые МВП-2,5 класса точности 0,05;

- манометры избыточного давления грузопоршневые класса точности 0,05 по ГОСТ 8291;

- манометры пружинные образцовые классов точности 0,15; 0,25 по ГОСТ 6521;

- магазин комплексной взаимной индуктивности типа P5017 (50 Гц) или P 5017/2 (60 Гц).

Содержимое работы - 1 файл

давление.docx

1. Общие понятия о давлении

Понятие давления первоначально основывалось на работе Евангелиста Торричелли, который некоторое время был учеником Галилея. Поставив в 1643 году эксперимент с блюдцами, заполненными ртутью, он сделал вывод, что атмосфера оказывает давление на Землю. Другой великий физик Блэйз Паскаль в 1647 году вместе со своим зятем Перье провели еще один опыт: они измеряли высоту ртутного столба у подножия и на вершине горы Puy de Dome. При этом они обнаружили, что давление действующее на столбик ртути зависит от высоты подъема. Свой прибор, который они использовали в этом эксперименте, Паскаль назвал барометром. В 1660 году Роберт Бойль сформулировал закон: «Для заданной массы воздуха при известной температуре произведение давления на объем является постоянной величиной. В общем виде, все материалы можно разделить на твердые тела и жидкие среды. Под термином жидкая среда здесь понимается все, что способно течь. Это могут быть как жидкости, так и газы, поскольку между ними не существует серьезных различий. При изменении давления жидкости превращаются в газы и наоборот. К жидким средам невозможно приложить давление ни в каком другом направлении, кроме перпендикулярного к поверхности. При любом угле кроме 90° жидкость будет просто соскальзывать или стекать. Для жидкой среды в стационарных условиях давление можно выразить через отношение силы F, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности А :

Давление имеет механическую природу, и поэтому для его описания можно использовать основные физические величины: массу, длину и время. Хорошо известен факт, что давление сильно меняется вдоль вертикальной оси, тогда как на одинаковой высоте оно постоянно во всех направлениях. При увеличении высоты давление падает, что можно выразить следующим соотношением:

dp = -wdh ,

где w — удельный вес среды, dh — изменение высоты, a dp — соответствующее ему изменение давления.

Давление жидкой среды в замкнутом объеме не зависит от формы сосуда, поэтому при разработке датчиков давления такие параметры как форма и размеры часто бывают не очень существенными. Если на одну из сторон сосуда с жидкостью или газом действует внешнее давление, оно передается по всему объему без уменьшения его значения.

Кинетическая теория газов утверждает, что давление является мерой полной кинетической энергии молекул:

где КЕ — кинетическая энергия, V— объем, С 2 — среднее значение квадрата скоростей молекул, — плотность, N - число молекул в единице объема, R — универсальная газовая постоянная, а T— абсолютная температура.

В этом уравнении предполагается, что давление и плотность газов связаны линейной зависимостью, т.е. увеличение давления приводит к пропорциональному росту плотности. Например, при температуре 0°С и давлении 1 атм плотность воздуха составляет 1.3 кг/м 3 , в то время как при той же температуре, но давлении 50 атм — его плотность уже будет 65 кг/м 3 , т.е. в 50 раз больше. В отличие от газов плотность жидкостей мало меняется в широком диапазоне давлений и температур. Например, для воды при температуре 0°С и давлении 1 атм плотность составляет 1000 кг/м 3 , в то время как при той же температуре и давлении 50 атм — плотность равна 1002 кг/м 1 , а при температуре 100°С и давлении 1 атм — плотность равна 958 кг/м 3 .

1.1 Единицы измерения давления

В системе СИ единицей измерения давления является паскалъ: 1 Па=1Н/м 2 . Это значит, что давление 1 паскаль равно силе, равномерно распределенной по поверхности площадью 1 квадратный метр. Иногда в качестве технической единицы измерения давления применяется единица, называемая атмосфера, обозначаемая 1 атм. Одна атмосфера это давление, которое оказывает столб воды высотой 1 метр на площадку 1 квадратный сантиметр при температуре +4°С и нормальном гравитационном ускорении.

В промышленности применяется другая единица давления, называемая торр (это название дано в честь физика Торричелли), которая определяется как давление, создаваемое столбиком ртути высотой 1 мм при 0°С, нормальном атмосферном давлении и нормальной гравитации. Идеальное давление атмосферы Земли, равное 760 торр, называется технической атмосферой:

1атм = 760торр = 101.325Па .

1.2 Классификация.

Датчики давления классифицируются в зависимости от выбора опорного давления:

датчики абсолютного давления: давление измеряется относительно вакуума;
дифференциальные датчики давления: измеряют разность давлений в двух точках системы;

- манометры: измеряют давление, избыточное по отношению к атмосферному.

Датчики давления бывают трех типов, позволяющих измерять абсолютное, дифференциальное и манометрическое давление. Абсолютное давление, например, барометрическое, измеряется относительно давления в эталонной вакуумной камере, которая может быть как встроенной (рис. 2А), так и внешней. Дифференциальное давление, например, перепад давления в дифференциальных расходомерах, измеряется при одновременной подаче давления с двух сторон диафрагмы. Манометрическое давление измеряется относительно некоторого эталонного значения. Примером может служить, измерение кровяного давления, которое проводится относительно атмосферного давления. Манометрическое давление по своей сути является разновидностью дифференциального давления. Во всех трех типах датчиков используются одинаковые конструкции диафрагм и тензодатчиков, но все они имеют разные корпуса. Например, при изготовлении дифференциального или манометрического датчика, кремниевый кристалл располагается внутри камеры, в которой формируются два отверстия с двух сторон кристалла (рис. 1Б). Для защиты устройства от вредного влияния окружающей среды внутренняя часть корпуса заполняется силиконовым гелем, который изолирует поверхность кристалла и места соединений, но позволяет давлению воздействовать на диафрагму. Корпуса дифференциальных датчиков могут иметь разную форму (рис. 2). В некоторых случаях при работе с горячей водой, коррозионными жидкостями и т.д. необходимо обеспечивать физическую изоляцию устройства и гидравлическую связь с корпусом датчика. Это может быть реализовано при помощи дополнительных диафрагм и сильфонов. Для того чтобы не ухудшались частотные характеристики системы, воздушная полость датчика почти всегда заполняется силиконовой мазкой типа Dow Corning DS200.

Рис. 1.Устройство корпусов датчиков: А - абсолютного, Б - дифференциального давлений (напечатано с разрешения Motorola Inc)

Рис. 2. Примеры корпусов дифференциальных датчиков давления. (Напечатано с разрешения Motorola Inc)

2. Чувствительные элементы датчиков давления.

Принцип действия любого датчика давления заключается в преобразовании давления, испытываемого чувствительным элементом. В конструкцию практически всех преобразователей давления входят сенсоры, обладающие известной площадью поверхности, чья деформация или перемещение, возникающие вследствие действия давления, и определяются в процессе измерений. Таким образом, многие датчики давления реализуются на основе детекторов перемещения или силы, причиной возникновения которой является тоже перемещение. Чтобы подобный датчик давления имел практическую значимость, движение должно быть достаточно малым, чтобы оставаться в рамках предела упругости материала, но достаточно большим, чтобы его можно было определить с достаточным разрешением. Следовательно, тонкие гибкие компоненты используются при низком давлении и более толстые и жесткие при высоких давлениях

Чувствительные элементы, входящие в состав датчиков давления, являются механическими устройствами, деформирующимися под действием внешнего напряжения. Такими устройствами могут быть трубки Бурдона (С-образные, спиральные и закрученные), гофрированные и подвесные диафрагмы, мембраны, сильфоны и другие элементы, форма которых меняется под действием на них давления.

На рис. 3А показан сильфон, преобразующий давление в линейное перемещение, которое может быть измерено при помощи соответствующего датчика. Таким образом, сильфон выполняет первый этап преобразований давления в электрический сигнал. Он обладает относительно большой площадью поверхности, что дает возможность получать довольно существенные перемещения даже при небольших давлениях. Жесткость цельного металлического сильфона пропорциональна модулю Юнга материала и обратно пропорциональна внешнему диаметру и количеству изгибов на нем. Жесткость сильфона также связана кубической зависимостью с толщиной его стенок.

На рис. 3.Б показана диафрагма, применяемая в анероидных барометрах для преобразования давления в линейное отклонение. Диафрагма, формирующая одну из стенок камеры давления, механически связана с тензодатчиком, который преобразует ее отклонения в электрический сигнал. В настоящее время большинство датчиков давления такого типа изготавливаются с кремниевыми мембранами, методами микротехнологий.

Мембрана — это тонкая диафрагма, радиальное растяжение которой S измеряется в Ньютонах на метр (рис. 4.Б). Коэффициентом жесткости при изгибе здесь можно пренебречь, поскольку толщина мембраны гораздо меньше ее радиуса (по крайней мере в 200 раз). Приложенное давление к одной из сторон мембраны сферически выгибает ее. При низких значениях давления р отклонение центра мембраны z_m и ее механическое напряжение _т являются квазилинейными функциями давления (напряжение измеряется в Н/м 2 ):

где r — радиус мембраны, а g — ее толщина. Механическое напряжение мембраны считается постоянным по всей ее поверхности.

Наименьшая собственная частота мембраны:

где — плотность материала мембраны.

Рис. 3. А — стальной сильфон, используемый в датчиках давления (Servometer Corp., Cedar Grove, NJ), Б — металлическая гофрированная диафрагма, применяемая для преобразования давления в линейное перемещение

Рис. 4. Деформация мембраны под действием давления р

В данных уравнениях предполагается, что разрабатываемый датчик давления будет измерять отклонения мембраны. Поэтому далее необходимо выбрать метод преобразования полученного отклонения в электрический сигнал.

3. Методы измерения давления.

Давление, исходя из самых общих позиций, может быть определено как путем его непосредственного измерения, так и посредством измерения другой физической величины, функционально связанной с измеряемым давлением.

В первом случае измеряемое давление воздействует непосредствен но на чувствительный элемент прибора, который передает информацию о значении давления последующим звеньям измерительной цепи, преобразующим ее в требуемую форму. Этот метод определения давления яв ляется методом прямых измерений и получил наибольшее распростране ние в технике измерения давления.

На нем основаны принципы действия большинства манометров и измерительных преобразователей давления.

Во втором случае непосредственно измеряются другие физические величины или параметры, характеризующие физические свойства измеряемой среды, значения которых закономерно связаны с давлением ( температура кипения жидкости, скорость распространения ультразву ка, теплопроводность газа и т. д.). Этот метод является методом косвен ных измерений давления и применяется, как правило, в тех случаях, ког да прямой метод по тем или иным причинам неприменим, например, при измерении сверхнизкого давления (вакуумная техника) или при изме рении высоких и сверхвысоких давлений.

Читайте также: