РАЗРАБОТКА ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЧАСТИ ДАТЧИКА ИЗБЫТОЧНОГО ДАВЛЕНИЯ

№75-1,

Технические науки

В данной статье рассмотрены характеристики измерительной мембраны датчика избыточного давления, факторы которые влияют на точность выходного значения, выбран наиболее подходящий материал для изготовления чувствительного элемента, представлен расчет размеров мембраны.

Похожие материалы

Давление, на сегодняшний день, является самым востребованным измеряемым параметром на нефтяной, газовой, пищевой промышленности, а также в коммунальном хозяйстве. Для контроля утечки газа, нефти, воды используют датчики избыточного давления.[1]

В качестве первичного преобразователя для измерения давления используют следующие элементы:

  1. Деформационные — то есть измеряют смещение чувствительного элемента, при подаче на него давления (мембраны, сильфоны). Далее это смещение трансформируют в электрический или электромагнитный сигнал, с помощью магнитотранзисторного или оптоэлектронного блока.
  2. Электрические — давление, которое подают на измерительную мембрану преобразуют в электрический сигнал. Это реализуют с помощью установки на мембрану тензорезистора, емкости. То есть при подаче давления на мембрану, она прогибается, исходя из этого, тензорезистор или емкость на мембране так же изменяет свои электрические параметры.

Далее будем использовать электрический метод измерения.

В данной статье мы рассмотрим характеристики измерительной мембраны датчика избыточного давления, факторы которые влияют на точность выходного значения, выберем материал, произведем расчет ее размеров, а так же вычислим относительную деформацию.

Мембрана является основной частью измерительного канала, поэтому материал, из которого он изготавливается, должен быть стабилен, а именно практически не зависеть от окружающей среды (т.е. изменения температурного диапазона, вибрации, влажности, времени).

Рассмотрим более подробно основные свойства материала, которые влияют на точность измерения:

  1. Модуль упругости — это совокупность физических величин, которые характеризуют способность какого-либо твердого тела упруго деформироваться в условиях приложения к нему силы.[2]
  2. Модуль сдвига — это физическая величина, характеризующая способность материала сопротивляться сдвиговой деформации.[2]

Для сохранения точности измерения, эти два параметра не должны зависеть от изменения температуры, вибрации, рабочих нагрузок, времени.

Существуют такие материалы, у которых при изменении температуры зависимость модуля упругости от температуры практически линейная. Именно эти материалы и следует выбирать в качестве первичного преобразователя давления, так как погрешность от температуры за счет изменения модуля упругости может быть скомпенсирована введением в чувствительный элемент термокомпенсирующее звено.

В качестве примера можно привести сталь 36 НХТЮ, у нее практически линейная зависимость в диапазоне от -200 до +600.

Так же на точность измеряемого параметра оказывает влияние зависимость модуля упругости от временной нестабильности. Это связано с тем, что в результате обработки в материале происходят механические напряжения.

Разработали такие сплавы, которые имеют наименьшую временную нестабильность — это сталь 36НТХТЮ, бронза Бр Б2.

Помимо этого на точность измерения мембраны влияет линейность нагрузочной характеристики, то есть зависимость модуля упругости от рабочей нагрузки. Максимальное значение преобразуемого сигнала при прочих равных условиях определяется пределом текучести материала. Чем выше предел текучести, тем больше допустимое значение преобразуемого материала, при котором сохраняется линейная зависимость деформаций от преобразуемых усилий.

В дальнейшем будем использовать сталь 36НХТЮ, которая отвечает всем вышеупомянутым критериям. Главная отличительная черта данного сплава это повышенная износостойкость, а также высокие упругие свойства.

Рассмотрим ее характеристики:

  • Предел прочности σB = 1127 ГПа;
  • Предел текучести σT = 800 МПа;
  • Модуль упругости E = 196 ГПа;
  • Модуль сдвига G = 68 ГПа;
  • Температурный коэффициент линейного расширения αl = 1610-6 1/К;
  • Температурный коэффициент модуля упругости αE = 20010-6 1/К;
  • Плотность ρ = 7900 кг/м3;
  • Собственная резонансная частота мембраны fp = 0.8 кГц;

В стандартном случае для измерения избыточного давления используют плоскую жесткую мембрану с толщиной 0.2 мм, закрепленную по краям (рис.1). Давление на каждом участке мембраны воздействует с одинаковой силой.

Жесткая мембрана, закрепленная по краям: фh — толщина мембраны, P — измеряемое давление, A — центр мембраны, r — радиус мембраны.
Рисунок 1. Жесткая мембрана, закрепленная по краям: фh — толщина мембраны, P — измеряемое давление, A — центр мембраны, r — радиус мембраны.

Далее рассчитаем размеры мембраны. Для этого воспользуемся формулой для расчёта резонансной частоты:

f_p = 0.47\cdot h/r^2 \cdot \sqrt{\frac{E}{\rho \cdot (1-\mu^2)}}

Из этой формулы выразим радиус мембраны и рассчитаем его:

r = \sqrt{0.47\cdot h/f_p \cdot \sqrt{\frac{E}{\rho \cdot (1-\mu^2)}}}

Далее рассмотрим такой параметр как радиальная деформация, которая показывает, насколько изменится размер измерительной мембраны при действии на нее давления, в сравнении с ее размерами в не деформированном виде (т.е. в состоянии покоя).

Для нахождения радиальной деформации, необходимо задать расстояние от центра мембраны до тензорезистора.

При условии, что тензорезистор расположен по центру мембраны, расстояние будет ровняться 0, радиальная деформация будет иметь следующее значение:

\epsilon_\gamma = \frac{0.375 \cdot r^2}{E \cdot h^2} \cdot (1-\mu^2) \cdot P

Исходя из этого значения, возможно рассчитать максимальное изменение сопротивления тензорезистора. И соответственно выбрать его для своего устройства.

Мембранный тип измерения давления, на данный момент является типовым. Так как он относительно не затратный для производства, а так же считается наиболее точным.

Список литературы

  1. Пластун А.Н Разработка функциональной схемы интеллектуального датчика давления с нормализированным выходом.// Novainfo.ru (Электронный журнал) – 2017 г. – № 75;
  2. Мехеда В.А. Тензометрический метод измерения деформаций// Издательство СГАУ – 2011.