Курсовая работа: Измерение технологических параметров в отрасли промышленности

Основные источники их погрешностей -- гистерезис, изменение чувствительности при изменении температуры и эффекты трения в шарнирах и осях указателей.

Основной недостаток рассмотренных пружин -- малый угол поворота, что требует применения передаточных механизмов. Трубчатые пружины для давлений до 5 МПа изготавливают из латуни, томпака, бронзы; для изготовления пружин, рассчитанных на давления свыше 5 МПа, применяют легированные сплавы, стали различных составов. Для давлений 1000 МПа и более применяют легированную сталь типа 50 ХФА.

Сильфоны

Сильфон -- тонкостенная цилиндрическая оболочка с поперечными гофрами, способная получать значительные перемещения под действием давления или силы. В пределах линейности статической характеристики сильфона отношение действующей на него силы к вызванной ею деформации остается постоянным и называется жесткостью сильфона. Для увеличения жесткости внутри сильфона часто помещают пружину. Сильфоны изготовляют из бронзы различных марок, полутомпака, углеродистой стали, нержавеющей стали, алюминиевых сплавов. Серийно производят бесшовные и сварные сильфоны диаметром от 8--10 до 80--100 мм и толщиной стенки 0,1--0,3 мм.

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 ?Р. Жесткость сильфона связана кубической зависимостью с толщиной его стенок.

Сильфонные датчики применяются для измерения перепадов давления в диапазоне 200Па... 1 МПа с точностью около ±0.1 %. Они имеют плохую стабильность нуля.

Рисунок 6 Деформация тонкой пластины (А) и мембраны (Б) под действием давления P

Мембраны

Различают упругие и эластичные (вялые) мембраны. Упругая мембрана -- гибкая, круглая, плоская (плоская мембрана) или гофрированная (гофрированная мембрана) пластина, способная получить прогиб под действием давления рисунок 6 (а, б). Статическая характеристика плоских мембран изменяется нелинейно с увеличением давления, поэтому здесь в качестве рабочего участка используют небольшую часть возможного хода. Гофрированные мембраны могут применяться при больших прогибах, чем плоские, так как имеют значительно меньшую нелинейность характеристики. Мембраны изготавливают из различных марок стали, бронзы, томпака, латуни.

Мембрана -- это тонкая диафрагма, радиальное растяжение которой S измеряется в Ньютонах на метр (рис. 6 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 а_т являются квазилинейными функциями давления (напряжение измеряется в Н/м²):

(6.13)

(6.14)

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

Для нахождения наименьшей собственной частоты мембраны можно воспользоваться следующим соотношением:

(6.15)

где с - плотность материала мембраны. При значительной толщине мембраны, когда ее отношение r/g?100, речь уже идет о тонкой пластине (рис. 6 А). Если такую пластину закрепить между двумя зажимными кольцами, в системе появится значительный гистерезис, вызванный силами трения между кольцами и пластиной. Поэтому пластину и поддерживающие компоненты лучше изготавливать в виде монолитной конструкции.

Для пластины, также как и для мембраны, максимальное отклонение линейно связано с давлением:

(6.16)

где Е - модуль Юнга (Н/м²), а н - коэффициент Пуассона. Максимальное механическое напряжение в пластине тоже является линейной функцией давления:

(6.17)

Величина прогиба центра плоской мембраны, закрепленной по контуру, при малых перемещениях под действием давления Р вычисляется по формуле

, (6.18)

где R--рабочий радиус мембраны (по контуру закрепления);

h-- толщина мембраны.

Величину прогиба гофрированных мембран определяют из выражения

a=, (6.19)

где а и b-- коэффициенты, зависящие от формы профиля мембраны и ее толщины.

По такому принципу действия работают дифманометрические датчики КАРАТ-ДД.

Рисунок 7 Дифманометрический датчик КАРАТ-ДД

Они имеют мембранный первичный преобразователь и электронный модуль (блок) с конструктивными исполнениями, обусловленными спецификой эксплуатации, особенностями и пределами измерений.

В дифманометрических датчиках мембранный элемент сравнивает два рабочих давления контролируемой среды и имеет два явных входа, что и обеспечивает измерение разности давлений. Такой датчик является наиболее универсальным и может использоваться для измерений избыточного давления и разрежения.

Например, дифманометрический датчик КАРАТ-ДД имеет унифицированную конструкцию: первичный преобразователь в виде мембранного блока (МБ) с тензопреобразователем и блок электроники (БЭЛ) с нормирующим преобразователем, соединенные через горловину МБ. На рисунок 7 изображен внешний вид датчика КАРАТ - ДД. Мембраны имеют ход, допускающий одностороннюю (например, аварийную) перегрузку рабочим давлением, многократно превышающим измеряемую разность давлений. При перегрузке, мембраны перемещаются, и одна из них ложится на упор - профилированную поверхность основания.

Емкостный диафрагменный датчик

Существуют две базовые разновидности таких диафрагменных датчиков (Рис. 8).

Рисунок 8

Для одной (Рис. 8 а) -- перемещение диафрагмы относительно фиксированной пластины приводит к изменению емкости между диафрагмой и фиксированной пластиной. Конденсатор может быть составной частью настроечной цепи частотно-модулированного генератора колебаний и, таким образом, выдавать частотный выходной сигнал, связанный с перепадом давления на диафрагме.

Для другой разновидности (Рис. 8 б) -- диафрагма расположена между двумя фиксированными пластинами, и ее перемещение увеличивает емкость относительно одной пластины и уменьшает ее с другой, т.е. это вид дифференциального датчика перемещений со средней точкой. Такой датчик обычно используется с мостом переменного тока, выходной разбаланс которого связан с перепадом давления на диафрагме. Диапазон измерений обычно равен 1…200 кПа, с точностью около ±0.1% и полосой частот до 1 кГц.

Пьезоэлектрические датчики давления

Когда некоторые кристаллы подвергаются деформации под действием сил сжатия или растяжения, на их противоположных поверхностях появляется разность электрических зарядов. Этот эффект называется прямым пьезоэффектом. Примерами таких кристаллов являются кварц, турмалин и пьезоэлектрические керамики, такие как цирконат-титанат свинца.

Заряд, образующийся на поверхности пьезоэлектрического кристалла q, будет прямо пропорциональным приложенной силе F:

, (6.20)

где d- чувствительность пьезокристалла.

Чтобы измерить заряд, на противоположные поверхности кристалла методом осаждения наносятся электроды. Такое устройство образует конденсатор, и, таким образом, пьезоэлектрический датчик может рассматриваться как генератор зарядов с параллельно включенным конденсатором.

В таблице представлены характеристики для наиболее часто используемых пьезоэлектрических кристаллов.

Таблица 1

Основной элемент пьезоэлектрического датчика -- это диафрагма, которая давит на пьезоэлектрический кристалл. Перемещение диафрагмы вызывает сжатие кристалла, которое приводит к возникновению разности электрических потенциалов на его плоскостях. Обычно такие датчики используются для измерения давления в диапазоне 200 кПа...100МПа. Их рабочая полоса частот составляет 5 Гц...500 кГц. Такие датчики не могут применяться для измерения статического давления.

Электрические манометры. Преобразователи давления типа "Сапфир"

Эти манометры обеспечивают непрерывное преобразование значения измеряемого параметра (давления избыточного, абсолютного, разряжения, разности давлений нейтральных и агрессивных сред) в унифицированный токовый сигнал для дистанционной передачи (0 - 5 мА, 0 - 20 мА и др.).

Мембранный тензопреобразователь 3 размещен внутри основания 9 рис. 9. Внутренняя полость 4 тензопреобразователя заполнена кремнийорганической жидкостью и отделена от измеряемой среды металлической гофрированной мембраной 6, приваренной по наружному контуру к основанию 9. Полость 10 сообщена с окружающей атмосферой.

Измеряемое давление подается в камеру 7 фланца 5, который уплотнен прокладкой 8. Измеряемое давление воздействует на мембрану 6 и через жидкость воздействует на мембрану тензопреобразователя, вызывая ее прогиб и изменение сопротивления тензорезисторов. Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока 1 по проводам через гермовывод 2.

Преобразователи «Сапфир-22ДА» моделей 2050 и 2060, предназначенные для измерения абсолютного давления, отличаются тем, что полость 10 вакуумирована и герметизирована.

Преобразователи «Сапфир-22ДД» моделей 2410, 2420, 2430, 2434, 2440 и 2444, предназначенные для измерения разности давлений, отличаются тем, что в них используется тензопреобразователь мембранно-рычажного типа, который размещен внутри основания в замкнутой полости, заполненной кремнийорганической жидкостью, и отделен от измеряемой среды двумя металлическими гофрированными мембранами. Мембраны соединены между собой центральным штоком, перемещение которого передается рычагу тензопреобразователя, что вызывает деформацию тензопреобразователя.

Чувствительным элементом тензопреобразователя является пластина из монокристаллического сапфира (разновидность корунда - Al₂O₃) с кремниевыми пленочными тензорезисторами (структура КНС - кремний на сапфире).

Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока в электронное устройство 1 по проводам через гермоввод 2. Измерительный блок выдерживает без разрушения воздействие односторонней перегрузки рабочим избыточным давлением. Это обеспечивается тем, что при такой перегрузке одна из мембран 8 ложится на профилированную поверхность основания 9.

Преобразователи «Сапфир - 22ДД» имеют высокую точность, металлоемки, компактны и малогабаритны. Их недостатки: некоторая сложность изготовления; смещение нуля выходного сигнала, а иногда и изменение характеристики во времени; влияние температуры на показания вследствие большого коэффициента объемного расширения кремнийорганической жидкости, хотя тензорезисторный преобразователь и содержит элементы для температурной компенсации.

Рисунок 9 Вакуумметры

Вакуумметр - манометр для измерения давления разреженного газа (давление которого меньше 1 атм). Манометр - прибор для измерения давления газа или жидкости.

Вакуумметр абсолютного давления и вакуумметр относительного давления - измеряют соответственно абсолютное давление газа или разность давлений (как правило, разность между давлением в измеряемой системе и атмосферным давлением).

Вакуумметры предназначены для показания общего, полного давления, которое равняется сумме парциальных давлений газов. Для измерения парциального давления газа, т.е. давления конкретного газа, входящего в какой-то технологический газ (смесь газов), как правило, используют масс-спектрометрические методы измерения.

Механические вакуумметры измеряют разность давлений на поверхность жидкости в U-образной трубке. В настоящее время жидкостные вакуумметры практически не используются.

Компресионные вакуумметры - разновидность гидростатических манометров, в которых, с целью увеличения измеряемого диапазона, рабочей жидкостью вакуумметра предварительно создается сжатие. Несмотря на то, что приборы неудобны в повседневной работе, они иногда находят своё применение как образцовые (калибровочные) вакуумметры.

Деформационные механические вакуумметры - вакуумметры, предназначенные для измерения низкого вакуума, принцип действия которых основан на деформации рабочего сенсора (пружины или мембраны).

Измеряемое давление воздействует на упругий элемент (мембрану, сильфон, спиральную трубку), деформация которого пропорциональна давлению и определяется оптическим или электрическим методом, либо непосредственно превращается с помощью механической передачи в показания стрелки прибора. Упругий элемент может также принудительно возвращаться в исходное положение посредством электрических или пневматических источников силы. В этом случае критерием давления служит компенсирующая сила или др. величина, связанная с этой силой (напряжение, ток, пневматическое давление).