ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ. ФЕДЕРАЛЬНОЕ Государственное БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ учреждение высшего профессионального образования

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ Государственное БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ учреждение высшего профессионального образования

«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт геологии и нефтегазодобычи

 

Кафедра «Автоматизации

и вычислительной техники»

 

 

 

Лабораторная работа №1

По курсу «Технические измерения и приборы»,«Измерение неэлектрических величин»

Изучение приборов для измерения давления

для студентов специальности «Автоматизация технологических процессов и производств»

 

 

 

Тюмень 2013

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - изучение принципа действия, конструкции деформацион­ных чувствительных элементов и поверка трубчатого манометра.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

В международной системе единиц за единицу давления принят Паскаль (Па) - давление, которое испытывает 1 м² плоской поверхности под дей­ствием равномерно распределенной, перпендикулярной к этой поверхности силы в 1 Н.

Для измерения средних и высоких давлений применяют кратные едини­цы: килопаскаль (кПа) и мегапаскаль (МПа). Принимают, что

1 кгс/см² = 0,1 МПа

тогда, например, 0,6 кгс/см² = 0,06 МПа, 10 кгс/см² = 1 МПа и т. д.

В качестве упругих деформационных чувствительных элементов в приборах давления используются мембраны, мембранные коробки, сильфоны и трубчатые пружины (рис. 1).

Плоские мембраны (рис. 1а), изготавливаемые из стали и бронзы, представляют собой круглые тонкостенные пластины постоянной толщины. Под действием измеряемого давления Р_изм мембранная пластина прогибается. Приборы этого типа обладают малой инерционностью и позволяют измерять переменное давление с частотой до сотен герц. Прогиб мембраны дифференциально-трансформаторным преобразователем (ДТП) преобразуется в электрический сигнал U_вых.

Гофрировка поверхности мембраны в виде кольцевых волн значительно повышает ее надежность и спрямляет характеристику мембраны. В дифманометрах применяются мембранные коробки образованные двумя спаянны­ми гофрированными мембранами (рис. 1б).

В приборах давления, измеряющих малые давления и разность давлений (тягомерах, дифманометрах) применяют неметаллические (вялые) мембраны (рис. 1в). Эти мембраны изготовляют из специальной сетчатой ткани (капрона, шелка), покрытой бензомаслостойкой резиной или пластмассой. Характеристики вялых мембран снимают экспериментально, т. к. рассчитать их не удается. Для повышения жесткости вялых мембран при­меняют пружины.

Сильфон представляет собой тонкостенную трубку с поперечной гофрировкой (рис. 1г). Сильфоны применяют в приборах для измерения вакууметрического давления до 1кгс/см² (0,1 МПа), избыточного давления до 600 кгс/см² и разности давлений до 2,5 кгс/см² (0,25 МПа). При работе на сжатие сильфоны выдерживают давление в 1,5-2раза больше, чем при воздействии давления изнутри. Статическая характеристика сильфонов линейна в небольших диапазонах перемещений.

Трубчатые пружины чаще всего выполняются в виде одновитковых, центральная ось которых представляет собой дугу окружности с центральным углом, равным 200-270⁰ (рис. 1д). Наиболее широкое примене­ние получили пружины Бурдона эллиптического (рис. 1е) и плоскоовального (рис. 1 ж, з) сечения. Большая ось 2а поперечного сечения располо­жена перпендикулярно радиусу кривизны Rк центральной оси (среднему радиусу) пружины. Один конец пружины Бурдона закрепляется неподвижно, а другой - свободный, закрытый пробкой и запаянный - соединяют с меха­низмом прибора, - стрелочным указателем или преобразователем.

Тонкостенные пружины Бурдона (рис. 1е) применяют в приборах для измерения вакууметрического давления до 1 кгс/см² (0,1 МПа) и избыточного давления до 60 кгс/см² (6 МПа). Для измерения избыточного давле­ния до 200-1600 кгс/см² (20-160 МПа) применяют толстостенные пружины овального сечения (рис. 1 ж). Для измерения сверхвысокого давления до 10000 кгс/см² (1000 МПа) и выше применяют одновитковые трубчатые пру­жины с эксцентричным каналом (рис. 1 и).

Под действием измеряемого давления Р_изм пружина Бурдона деформи­руется в поперечном сечении, принимая форму, изображенную на рис. 1е пунктиром. Продольные волокна элемента пружин растягиваются наиболее значительно у малой полуоси. В продольных волокнах наружного радиуса трубки Бурдона будет возникать растяжение, а в волокнах внутреннего радиуса - сжатие. Вследствие того, что волокна, стремятся сохранить свою первоначальную длину, трубка Бурдона будет разгибаться. При этом свободный конец трубки совершит некоторое линейное перемещение l. Кривизна, трубки уменьшится на угол:

(рис. 1д).

Трубчатый манометр тем чувствительнее, чем больше радиус ее кри­визны Rк и чем меньше толщина d стенок трубки. Чувствительность пру­жины Бурдона, а так же ее жесткость в сильной степени зависят от от­ношения а / b осей поперечного сечения и формы сечения (массы металла) вблизи концов большой оси. Пружина эллиптического сечения (рис. 1е) обладает большей чувствительностью и меньшей жесткостью, чем плоскоовального сечения (рис.1з).

Пружина круглого сечения практически нечувствительна к давлению, т. к. ее поперечное сечение не деформируется при воздействии давления.

В трубчатых пружинах с эксцентричным каналом (рис. 1и) перемещения свободного конца происходит под действием в поперечном сечении изги­бающего момента. Силы давления, приложенные в полости канала пружины, деформируют стенки канала, который расположен эксцентрично относите­льно сечения трубки. В результате пружина изгибается в сторону более толстой стенки.

Для изготовления мембран, сильфонов и трубчатых пружин необходим материал с высокой упругостью, антикоррозийностью, малой зависимостью параметров от изменения температуры, который также должен хорошо под­даваться технологической обработке, пайке и сварке. Указанным требованиям отвечают бронза, латунь и хромоникелевые сплавы.

Статическая характеристика упругого элемента представляет собой зависимость перемещения l от измеряемого давления Р_изм, т. е.

Обычно при проектировании упругих чувствительных элементов стремятся получить их линейную характеристику. Важными параметрами упругого чувствительного элемента являются:

- жесткость по давлению

- чувствительность по давлению

- гистерезис

где - максимальная разность при прямом и обратном ходе,

- полное отклонение чувствительного элемента.