Мембранні датчики тиску
Лабораторна робота
Вивчення методів вимірювання тиску
З ВИКОРИСТАННЯМ ЕТАЛОННОГО ПЕРЕТВОРЮВАЧА ТИСКУ
Дисципліна «Метрологія, стандартизація та сертифікація»
Виконавець: В.В. Кулімбетова
Студент гр. БТПсз-13-22
Керівник: В.В. Фоміна
Вивчення методів вимірювання тиску
З ВИКОРИСТАННЯМ ЕТАЛОННОГО ПЕРЕТВОРЮВАЧА ТИСКУ
Мета роботи: вивчити методи вимірювання тиску та визначити розрахунковим методом основні метрологічні характеристики датчиків тиску лабораторного стенду.
Теоретична частина
Класифікація методів вимірювання тиску
Датчик тиску – пристрій, фізичні параметри якого змінюються залежно від тиску вимірюваного середовища (рідини, гази, пари). У датчиках тиск вимірюваного середовища перетворюється на уніфікований пневматичний, електричний сигнали або цифровий код.
Датчик тиску складається з первинного перетворювача тиску, у складі якого чутливий елемент – приймач тиску, схеми вторинної обробки сигналу, різних за конструкцією корпусних деталей, у тому числі для герметичного з'єднання датчика з об'єктом та захисту від зовнішніх впливів та пристрою виведення інформаційного сигналу.
Для прямого вимірювання тиску рідкого або газоподібного середовища з відображенням його значення безпосередньо на шкалі, табло або індикаторі первинного вимірювального приладу застосовуються манометри (ГОСТ 8.271-77). Якщо відображення значення тиску на первинному приладі не проводиться, але він дозволяє отримувати і дистанційно передавати відповідний вимірюваному параметру сигнал, такий прилад називають вимірювальним перетворювачем тиску (ІПД), або датчиком тиску.Можливе поєднання цих двох властивостей в одному приладі (манометр-датчик).
Манометри класифікують за принципом дії та конструкції, за видом вимірюваного тиску, застосування та призначення, за типом відображення даних та іншими ознаками.
За принципом дії манометри можна поділити:
- рідинні - вимірюваний тиск врівноважується гідростатично стовпом рідини відповідної висоти: води або ртуті;
- деформаційні – тиск визначається за величиною деформації та переміщення пружного чутливого елемента (УЧЕ) – мембрани, трубчастої пружини, сильфона;
- вантажопоршневі – вимірюваний або відтворюваний тиск гідростатично врівноважується через рідке або газоподібне середовище приладу тиском ваги поршня з вантажоприймальним пристроєм та комплектом зразкових гирь;
- електричні – тиск визначається виходячи з залежності електричних параметрів – опору, ємності, заряду, частоти, чутливого елемента ЧЕ від вимірюваного тиску та інші;
При локальних вимірюваннях тисків енергоносіїв у більшості випадків використовуються деформаційні манометри на основі одновиткової трубчастої пружини (трубки Бурдона) для прямопоказуючих стрілочних приладів або з багатовитковими пружинами для манометрів, що самопишуть.
За видом вимірюваного тиску манометри поділяють на прилади вимірювання надлишкового та абсолютного тиску – власне манометри, розрідження – вакуумметри, тиску та розрідження – мановакууметри, атмосферного тиску – барометри та різницевого тиску – диференціальні манометри (дифманометри). Технічні характеристики всіх засобів вимірювання тиску визначаються відповідними загальними технічними умовами.
Мембранні датчики тиску
Приладиз чутливим елементом у вигляді плоских і гофрованих мембран, мембранних коробок і мембранних блоків застосовують для вимірювання невеликих тисків і розріджень (манометри, напороміри та тягомери), а також перепадів тиску (дифманометри).
Мембрана є тонким диском певного діаметра, виконаний з металу або спеціального пружного матеріалу, який жорстко закріплюється по периметру ввимірювальному блоці (рисунок 1).
Малюнок 1 – Мембрана та її прогин
Під впливом вимірюваного тиску Р1 (за умови Р1> Р2, де Р2 – зовнішній тиск) відбувається прогин мембрани на величину h, що в подальшому призводить до перетворення цього переміщення в обертальний рух стрілки приладу.
Мембрани ділять на пружні та «мляві». Пружні мембрани виконують із тонких металевих пластин (сталь, бронза, латунь). Вони мають досить велику власну жорсткість, їх статичні характеристики, що представляють залежність переміщення h центру мембрани або сили, що розвивається від тисків P1 і Р2 або перепаду ΔР=Р1 – Р2, зазвичай нелінійні. Застосовують плоскі та гофровані пружні мембрани (рисунок 2). Наявність гофрів робить статичну характеристику мембрани лінійнішою.
1 – плоска; 2 – гофрована
Малюнок 2 – Пружні мембрани
Пружні мембрани використовують переважно як чутливі елементи в первинних перетворювачах, наприклад, у дифманометрах.
«Мляві» мембрани виконують із прогумованої тонкої тканини (капрон, шовк, полотно). До них пред'являють дві вимоги: відсутність власної жорсткості та велика міцність. Ці вимоги випливають із основного призначення «млявих» мембран - перетворювати великі перепади тисків в силу при вкрай малих переміщеннях (порядку сотих дол мм).«Мляві» мембрани зазвичай забезпечені металевим жорстким центром. Вони також можуть бути плоскими та гофрованими.
Для збільшення прогину в приладах для малих тисків (розріджень) мембрани попарно з'єднують (зварюванням або паянням) в мембранні коробки, а коробки – в мембранні блоки (рисунок 3).
1 – мембранна коробка; 2 – мембранний блок
Рисунок 3 – Мембранні чутливі елементи
Величина прогину мембрани є складною функцією тиску, що діє на неї, її геометричних параметрів (діаметра, товщини, числа і форми гофрів), а також модуля пружності матеріалу мембрани. Число, форма та розміри гофру залежать від призначення приладу, меж вимірювання та інших факторів. Гофрування мембрани підвищує її жорсткість, тобто. зменшує прогин при однаковому тиску. Через складність розрахунку в більшості випадків характеристику мембрани підбирають досвідченим шляхом.