Оформление отчета

Отчет должен содержать:

1 цель работы;

2 краткий порядок проведения измерений;

3 результаты измерений и расчеты (таблица 5.1);

4 выводы.

Лабораторная работа № 6 изучение принципа действия, устройства и поверки деформационных и тензометрических манометров Общие сведения

Деформационные манометры применяются для измерения давления жидкости, газа и пара. Существенными достоинствами этих проборов являются простота, надежность конструкции, наглядность показаний, небольшие размеры, а также диапазон измерений до 980 МПа, возможность автоматической записи и дистанционной передачи показаний.

Принцип действия деформационного манометра основан на уравновешивании измеряемого давления силой упругой деформации одновитковой (трубка Бурдона) или многовитковой (спиральной, геликоидальной) трубчатой пружины, сильфона, мембранной коробки или мембраны (рисунки 6.1а, б, в, г, д).

Трубчатые пружины чаще всего выполняются в виде одновитковых, центральная ось которых представляет собой дугу окружности с центральным углом, равным 200...270. Из числа этих пружин наиболее широкое применение получили пружины Бурдона эллиптического и плоскоовального сечения. Эллиптические пружины применяют в приборах для измерения избыточного давления до 6 МПа, а толстостенные пружины овального сечения для давления 160 МПа. Один конец пружины Бурдона закрепляют неподвижно, а другой, свободный, закрыт пробкой и запаян (рисунок 6.1а).

После деформации пружины под воздействием измеряемого давления трубчатая пружина уменьшает свою кривизну, раскручиваясь в определенном направлении. Изменение угла закручивания пружины вызывает перемещение ее свободного конца, связанного при помощи передаточного механизма с указательной стрелкой. Перемещение свободного конца трубчатой пружины под действием давления находится в прямой зависимости от этого давления, благодаря чему шкала манометра получается равномерной. Однако указанная зависимость сохраняется только до известного предела, называемого пределом пропорциональности (рисунок 6.2), после которого тоже возрастание давления приводит к более быстрому росту перемещения конца пружины. Это вызывает появление остаточной деформации. Предел пропорциональности трубчатой пружины является одной из важнейших ее характеристик и зависит в основном от площади сечения трубки, толщины стенок, механических свойств материала и радиуса закругления пружины. Максимальное давление, при котором допустима работа трубчатой пружины, принимается обычно не более половины ее предела пропорциональности.

На точность измерений трубчато-пружинными манометрами большое влияние оказывает упругое последействие трубки, представляющее собой разность между перемещением ее конца при одном и том же давлении в случае постепенного повышения (прямой ход) и понижения (обратный ход) давления. Исчезновение этой разности происходит через несколько минут или часов в зависимости от механических свойств трубки. Упругое последействие является одним из основных недостатков трубчатопружинных манометров, т.к. вызывает непостоянство их показаний. Оно в значительной мере определяет собой класс точности прибора.

Максимальное перемещение свободного конца трубчатой пружины в манометрах весьма незначительно (5...8 мм), поэтому для повышения их чувствительности и большей наглядности показаний это перемещение увеличивается посредством зубчато-секторного или рычажного механизма (рисунок 6.3). В секторных механизмах действие конца трубки – 1 передается через поводок – 2 и зубчатый сектор – 3 с осью вращения в точке 0 на трубку – 4 маленькое зубчатое колесо, жестоко скрепленное со стрелкой – 5 прибора. В рычажных механизмах поводок – 2 связан с дугообразным рычажком – 3, жестко скрепленным со стрелкой – 4. Угол поворота стрелки в приборах с секторным передаточным механизмом составляет 270...300, а в приборах с рычажным механизмом - только 90. Рычажные механизмы применяются в приборах, устойчивых к вибрации.

Деформационные манометры нуждаются в периодической поверке, а при возрастании основной погрешности и в переградуировке шкалы. Чувствительный элемент этих приборов постепенно теряет свои упругие свойства из-за появления остаточных деформаций и износа передаточного механизма прибора. Помимо трубчатых чувствительных элементов,для измерения малых давлений и разрежений применяют мембранные. Мембраны могут быть плоские, выпуклые, гофрированные, изготовленные из стали и бронзы. Кроме металлических мембран при измерении давлений до 0,392 МПа применяют вялые мембраны, изготовленные из специальной сетчатой ткани (капрон, шелк), покрытой бензомаслостойкой резиной или пластмассой. У вялых мембран измеряемое давление, воздействующее на мембрану, уравновешивается усилием со стороны плоской противодействующей пружины, закрепленной одним концом на корпусе мембраны. Отклонение другого конца пружины через поводок передается стрелке.

Для поверки и градуировки деформационных манометров используются образцовые манометры и манометры грузопоршневые.

В основу работы тензометрических преобразователей положен пьезометрический эффект в полупроводниках.

Рисунок 6.1 – Упругие элементы пружинных манометров:

а – одновитковая трубчатая пружина (трубка Бурдона);

б – узел многовитковой пружины; в – сильфон сварной;

г – мембранная коробка; д – одиночная мембрана;

1 – пружина; 2 – скоба; 3 – ось; 4 – неподвижный угольник;

5 – ниппель.

Рисунок 6.2 – Графическое отображение предела пропорциональности трубчатой пружины

Рисунок 6.3 – Упрощенные схемы передаточных механизмов с одновитковыми пружинами: а – секторные; б – рычажные

Чувствительным элементом этих манометров является пластина из монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами (структура КНС - кремний на сапфире). Она прочно соединенная с металлической мембраной, реже используется КНК - структура (кремний на кремнии).

Существует два типа тензопреобразователей: давления и силы. В тензопреобразователях давления измеряемое давление действует непосредственно на мембрану, поскольку при измерении давления в диапазоне 0,4 МПа и выше на мембране с тензопреобразователем 6…8мм развивается усилие, достаточное для её деформации. В тензопреобразователях силы сапфировая мембрана изгибается под воздействием рычага, связанного двумя мембранами, жестко соединенными между собой и находящихся под воздействием атмосферного и измеряемого давлений, либо разности давлений.

На рисунке 6.4 показана схема измерительного блока преобразователя «Сапфир - 652» с верхними пределами измерения от 0,4 до 2,5 МПа.

Рисунок 6.4 – Преобразователь разности давлений «Сапфир – 652»: 1 – мембраны тензомодуль; 2 – разделительные мембраны; 3 – основание; 4 – гермовывод; 5 – электронное устройство

Мембранный тензомодуль – 1 закреплен на основании – 3 и отделен от измеряемой среды с помощью двух разделительных металлических мембран – 2. Замкнутые плоскости между тензомодулем и мембранами заполнены полиметилсилоксановой жидкостью. Измеряемая разность давлений передается на тензомодуль через указанные мембраны и жидкость.

Электрический сигнал тензомодуля через гермовывод – 4 передается во встроенное электронное устройство – 5.

В электронном устройстве – 5 вырабатывается сигнал 4…20 мА. В преобразователе предусмотрены температурная компенсация, обратная связь по току, узлы настройки нуля, диапазона измерения и режимов работы микросхемы.

Как видно на рисунке 6.4, в отличие от большинства преобразователей здесь не применен компенсационный метод измерения, нет компенсации измеряемого усилия усилием, развиваемым выходным токовым сигналом. Это оказалось возможным благодаря высокой точности и стабильности параметров. Однако в процессе эксплуатации, особенно первые 30 дней работы прибора, рекомендуется проверка и при необходимости корректировка «нуля» преобразователя не реже одного раза в неделю. В дальнейшем такая проверка может производиться один раз в три месяца.

Принципиальная схема размещения тензорезисторов на поверхности сапфировой мембраны показана на рисунке 6.5.

Недостатком тензопреобразователей, особенно низкопредельных, является значительный температурный коэффициент, составляющий 0,1 % на °С.

Рисунок 6.5 Схема размещения тензорезисторов на поверхности мембраны

Схема лабораторной установки

На рисунке 6.6 представлена установка для поверки деформационного и тензометрического манометров. Она состоит из ручной пневмопомпы – 1, которая создает требуемое избыточное давление в системе, преобразователя давления эталонного – 2 типа ПДЭ – 010, калибратора – измерителя – 3 типа ИКСУ – 260, поверяемого тензометрического рабочего манометра – 4 типа АИР – 20 / М2 и блока питания – 5.

Рисунок 6.6 Схема установки для поверки деформационного и тензометрического манометров:1 – ручная пневмопомпа, 2 – преобразователь давления эталонный, 3 – калибратор – измеритель, 4 – поверяемый рабочий манометр, 5 – блок питания.