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.