Мембранные датчики давления
Лабораторная работа
ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭТАЛОННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДАВЛЕНИЯ
Дисциплина «Метрология, стандартизация и сертификация»
Исполнитель: В.В. Кулимбетова
Студент гр. БТПсз-13-22
Руководитель: В.В. Фомина
ассистент
Салават 2015
ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭТАЛОННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДАВЛЕНИЯ
Цель работы:изучить методы измерения давления и определить расчетным методом основные метрологические характеристики датчиков давления лабораторного стенда.
Теоретическая часть
Классификация методов измерения давления
Датчик давления – устройство, физические параметры которого изменяются в зависимости от давления измеряемой среды (жидкости, газы, пар). В датчиках давление измеряемой среды преобразуется в унифицированный пневматический, электрический сигналы или цифровой код.
Датчик давления состоит из первичного преобразователя давления, в составе которого чувствительный элемент – приемник давления, схемы вторичной обработки сигнала, различных по конструкции корпусных деталей, в том числе для герметичного соединения датчика с объектом и защиты от внешних воздействий и устройства вывода информационного сигнала.
Для прямого измерения давления жидкой или газообразной среды с отображением его значения непосредственно на шкале, табло или индикаторе первичного измерительного прибора применяются манометры (ГОСТ 8.271-77). Если отображение значения давления на самом первичном приборе не производится, но он позволяет получать и дистанционно передавать соответствующий измеряемому параметру сигнал, то такой прибор называют измерительным преобразователем давления (ИПД), или датчиком давления. Возможно объединение этих двух свойств в одном приборе (манометр-датчик).
Манометры классифицируют по принципу действия и конструкции, по виду измеряемого давления, по применению и назначению, по типу отображения данных и другим признакам.
По принципу действия манометры можно подразделить:
- жидкостные – измеряемое давление уравновешивается гидростатически столбом жидкости соответствующей высоты: воды или ртути;
- деформационные – давление определяется по величине деформации и перемещения упругого чувствительного элемента (УЧЭ)– мембраны, трубчатой пружины, сильфона;
- грузопоршневые – измеряемое или воспроизводимое давление гидростатически уравновешивается через жидкую или газообразную среду прибора давлением веса поршня с грузоприемным устройством и комплектом образцовых гирь;
- электрические – давление определяется на основании зависимости электрических параметров – сопротивления, емкости, заряда, частоты, чувствительного элемента ЧЭ от измеряемого давления и другие;
- тепловые;
- ионизационные.
При локальных измерениях давлений энергоносителей в большинстве случаев используются деформационные манометры на основе одновитковой трубчатой пружины (трубки Бурдона) для прямопоказывающих стрелочных приборов или с многовитковыми пружинами для самопишущих манометров.
По виду измеряемого давления манометры подразделяют на приборы измерения избыточного и абсолютного давления – собственно манометры, разрежения – вакуумметры, давления и разрежения - мановакууметры, атмосферного давления – барометры и разностного давления – дифференциальные манометры (дифманометры). Технические характеристики всех этих средств измерения давления определяются соответствующими общими техническими условиями.
Мембранные датчики давления
Приборы с чувствительным элементом в виде плоских и гофрированных мембран, мембранных коробок и мембранных блоков применяют для измерения небольших давлений иразрежений (манометры, напоромеры и тягомеры), а также перепадов давления (дифманометры).
Мембрана представляет собой тонкий диск определенного диаметра, выполненный из металла или специального упругого материала, который жестко закрепляется по периметру визмерительном блоке (рисунок 1).
Рисунок 1 – Мембрана и ее прогиб
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 вращательноедвижение стрелки прибора.
Мембраны делят на упругие и «вялые». Упругие мембраны выполняют из тонких металлических пластин (сталь, бронза, латунь). Они обладают достаточно большой собственной жесткостью, их статические характеристики, представляющие зависимость перемещения h центра мембраныили развиваемой силы от давлений P1 и Р2 или перепада ΔР=Р1 – Р2, обычно нелинейны. Применяют плоские и гофрированные упругие мембраны(рисунок 2). Наличие гофров делает статическую характеристику мембраны более линейной.
1 – плоская; 2 – гофрированная
Рисунок 2 – Упругие мембраны
Упругие мембраны используют, преимущественно, как чувствительные элементы в первичных преобразователях, например, в дифманометрах.
«Вялые» мембраны выполняют из прорезиненной тонкой ткани (капрон, шелк, полотно). К ним предъявляют два требования: отсутствиесобственной жесткости и большая прочность. Эти требования вытекают изосновного назначения «вялых» мембран – преобразовывать большие перепады давлений в силу при крайне малых перемещениях (порядка сотыхдолей мм). «Вялые» мембраны обычно снабжены металлическим жесткимцентром. Они также могут быть плоскими и гофрированными.
Для увеличения прогиба в приборах для малых давлений (разрежений) мембраны попарно соединяют (сваркой или пайкой) вмембранные коробки, а коробки – в мембранные блоки (рисунок 3).
1 – мембранная коробка; 2 – мембранный блок
Рисунок 3 – Мембранные чувствительные элементы
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.