Деформационные манометры

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

  Филиал ФГБОУ ВПО  «Московский государственный университет технологий и управления

им. к.г. разумовского» 

в г. Волоколамске Московской области 
 

«Деформационные манометры» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Боровков  И.Д.

студент АСУ - 4Д 

Волоколамск 2011

   Резистивные манометры основаны на изменении  активного электросопротивления проводников при их механической деформации. Впервые этот эффект (тензоэффект) был рассмотрен английским физиком В. Томпсоном (лорд Кельвин) в 1856 г. Экспериментальные исследования тензоэффекта для различных металлов и сплавов были впервые проведены при давлениях до 300 МПа Лизелом (1903 г.), а затем при давлениях до 1300 МПа Бриджменом (1911 г.). Однако широкое внедрение тензоресторной техники в промышленность началось со времен второй мировой войны.

   Основная  характеристика тензоэффекта — коэффициент  относительной тензочувсгвительности, определяемый как отношение изменения сопротивления проводника к изменению его длины

* = eR/€h                                                  (4.13)

где ец = AR/R — относительное изменение сопротивления; ег = &1/1 — относительное изменение длины.

  Для твердых тел относительное изменение  сопротивления зависит как от изменения геометрических размеров, так и от изменения удельного сопротивления

к = 1 + 2(i + т,                      (4.14)

где ix — коэффициент Пуассона (для металлов ц — 0,24—0,4); т = = Др/р/А/Д — изменение удельного сопротивления материала, связанное с изменением его физических свойств.

   Для металлов (1 + 2д) » т, для полупроводниковых материалов т » (1 + 2д), и для них можно считать, что к = т.

   Принципиальное  отличие тензометрического метода измерения давления состоит в том, что мерой давления является не перемещение заданной точки УЧЭ в осевом направлении, а деформации поверхности УЧЭ или поверхности связанного с ним тела. Измерительный преобразователь, который преобразует деформации поверхности твердого тела в изменение его электросопротивления, называется тензорезистором.

  Обычно  выделяют следующие основные группы тензорезисторов: проволочные, фольговые, тонкопленочные и полупроводниковые. При этом находят применение два основных вида преобразования давления:

   давление, воспринимаемое УЧЭ, вызывает деформацию его поверхности (растягивающую или сжимающую), которая преобразуется в изменение электросопротивления тензорезистора;

   давление, воспринимаемое УЧЭ, преобразуется  в сосредоточенную силу, которая  деформирует упругое твердое  тело с жестко связанным с ним  тензорезистором; иногда производится промежуточное преобразование силы в момент сил.

   Аппаратура, содержащая промежуточные преобразователи  различного назначения, а также источники питания, усилитель выходного сигнала и вторичные приборы для индикации и регистрации давления, требует существенно больших затрат на изготовление, чем УЧЭ с вмонтированными в него тензорезйсторами, которые, как правило, включаются в мостовую схему и составляют вместе с УЧЭ единый блок (датчик).

   Тензорезисторы  о ычно включаются во все четыре плеча мостовой схемы, причем для  повышения чувствительности одна пара тензорезис-торов работает на растяжение, а другая на сжатие. Иногда два тензорезис-тора располагаются на участках УЧЭ, подверженных деформации, а два других „холостых" (не подвергаются растяжению или сжатию) предназначены для температурной компенсации мостовой схемы. Для датчиков высокой точности тре&уются также уравновешивающие и компенсационные элементы для корректировки нуля и диапазона измерений и пр.

  Первыми были разработаны проволочные тензопреобразователи (проволочные тензорезистивные манометры), предназначенные для измерения высоких давлений, которые в отличие от указанных выше методов преобразования основаны на всестороннем сжатии проводника непосредственно давлением окружающей среды без применения УЧЭ, т. е. функции УЧЭ и тензорезистора совмещены в одном элементе.

   В качестве материала проволочного сопротивления  до настоящего времени применяется  манганин (сплав меди, марганца и  никеля), эффективность которого при создании тензоэффекта была выявлена исследованиями Лизела и Бриджмена еще в начале нашего века.

   Манганиновый  манометр (рис. 41) содержит катушку сопротивления 6, каркас, которой с помощью двух металлических стержней 1 прикреплен к втулке 3, и корпус 7 с штуцером для подключения измеряемого давления. Для уплотнения стержней в их средней части имеются кольцевые утолщения, с двух сторон которых помещены прокладки 4. Предварительное уплотнение производится с помощью гайки 2, а затем под действием давления верхние прокладки самоуплотняются. Для электрической изоляции стержней, предназначенных для включения катушки сопротивления в мостовую схему, стержни отделены от металлических деталей воздушными зазорами, которые обеспечиваются центровкой стержней посредством изолирующих втулок 5 и уплотнений 4.

Уравнение измерений манганинового манометра имеет вид

p = a(-f-)+n-f)2,                                  (4-15)

к                      к

где Ro — сопротивление проводника при отсутствии давления; AR — изменение сопротивления при давлении р; а и |3 – коэффициенты, зависящие от свойств материала проводника и, в меньшей степени, от технологии изготовления.

   Наиболее  часто для изготовления точных манганиновых манометров применяется сплав, состоящий  из 84 % меди, 12 % марганца и 4 % никеля. Удельное сопротивление манганина такого состава составляет (4,2-4,8) • 10~7 Ом/м, что в 25 раз превышает удельное сопротивление меди. Это имеет существенное значение в технике высоких давлений, так как непосредственно влияет на размеры катушки сопротивления.

   Значения  коэффициентов уравнения измерений (4.15) колеблются в пределах: а= (40,3-41,2)- 109 Па; 0 = (11,5-15,0)- 109 Па. Доля второго члена уравнения (4.15), определяющего нелинейность, составляет от 0,01% при р = 100 МПа до 0,8 % при р = 1 ГПа (10000 кгс/см2), резко возрастая при дальнейшем увеличении давления. При точных измерениях с погрешностью менее 0,5—1 % требуется индивидуальная градуировка манганиновых манометров.

  Диапазон  давлений, измеряемых манганиновыми манометрами, составляет от 100 МПа (1000 кгс/см2) до 4 ГПа (40000 кгс/см2), погрешность измерений от 0,4 до 2,5 % (рабочие средства измерений) и от 0,2 до 0,6 % (образцовые средства измерений) . Долговременная стабильность (5—10 лет) и воспроизводимость показаний хорошо изготовленных манганиновых манометров составляют ±0,2 % каждая. Влияние температуры определяется изменением электросопротивления, которое в среднем составляет 0,01 % на 1°С.

   

   Рис. 1. Манганиновый манометр

   Манометры сопротивления практически не применимы при давлениях менее 50 МПа из-за относительно низкого тензоэффекта при всестороннем сжатии проводника. Например, прир = 50 МПа изменение сопротивления манганина составляет AR/R0 = — 0,125 %, что соизмеримо с

влиянием  изменения температуры на ±5°С (0,05 %). Поэтому при измерении малых и средних давлений производится предварительное преобразование давления в деформацию УЧЭ, которая создает в материале тен-зорезистора требуемые растягивающие или сжимающие усилия. При этом уменьшение давления компенсируется увеличением геометрических размеров УЧЭ и уменьшением толщины его стенок.

   На  этом принципе основано подавляющее  большинство проволочных тензореэистивных манометров. Находят применение как наклеиваемые на поверхность УЧЭ проволочные тензорезисторы, так и „свободные" тензорезистивные преобразователи, в которых деформации подвергаются ненаклеенные проволочные нити. Различаются также мано-

метры с тензорезисторами, закрепленными  непосредственно на поверхности УЧЭ и закрепленными на балочке, на которую действует развиваемая" под действием на УЧЭ давления сила. Примеры некоторых конструктивных решений приведены на рис.

Рис. 2. Проволочные  тензорезисторные манометры

   Одна  из таких конструктивных схем положена в основу тензомоду-ля преобразователя  избыточного давления типа Темп-21ДИ-М1 на основе литых микропроводов. Тензомодуль (рис. 42, а) содержит упругий чувствительный элемент 4, выполненный в форме пустотелого цилиндра с перегородкой в средней части, который на торцах имеет фланцы 2 и 6. Через фланец 1 внутрь УЧЭ подается измеряемое давление, фланец 2 имеет отверстие для сообщения второй половины УЧЭ с атмосферным давлением. На наружной поверхности цилиндра размещены четыре тензорезис-тора. два из которых, воспринимающие деформацию цилиндра под действием давления, составляют активные плечи моста сопротивлений, а два других 5 — пассивные плечи, предназначенные для температурной компенсации нуля мостовой схемы. Тензорезисторы укреплены на цилиндре с помощью специального цемента и защищены от воздействия окружающей среды герметичным кожухом 3.

   Мостовая  схема выдает электрический сигнал постоянного тока, который преобразуется в пропорциональное напряжение переменного тока и после усиления вновь преобразуется в токовый выходной сигнал 0—5, 0—20 или 4—20 мА. Электронный блок содержит также масштабный делитель, который позволяет ступенчато изменять коэффициент усиления выходного сигнала мостовой схемы. Благодаря этому один и тот же УЧЭ

охватывает  четыре диапазона давлений. Выпускаются  три модели преобразователя, которые обеспечивают верхние пределы измерений, МПа:

2160..-. 1,0; 1,6; 2,5; 4,0

2170 6   ; 10 ; 16 ; 25

2180 …. 40 ; 60 ; 100;160

   Пределы основной допускаемой погрешности  составляют 0,25; 0,5 и 1,0 от верхнего предела  измерений.

   Преобразователь предназначен для работы при температуре  окружающего воздуха от -30 до +80°С. Габаритные размеры 130X185X45 мм, масса не более 1 кг.

   Для измерения давлений менее 1 МПа (10 кгс/см2) может быть использован тензопреобразователь балочного типа. Преобразователь (рис. 42, б) содержит закрепленную на фланце 1 мембрану 2 с жестким центром, которая преобразует давление в силу, передаваемую благодаря стержню 3 на упругую балку 4.Закрепленные на балке тензорезисторы 5, один из которых испытывает растягивающие напряжения, а другой — сжимающие напряжения, включены в мостовую схему. Возможности данной схемы при понижении диапазона измерений давления в принципе неограничены.

  Общий недостаток конструкций с наклеиваемыми  проволочными тензорезисторами — нестабильность закрепления последних на деформируемой поверхности, особенно при воздействии повышенных температур. С этой точки зрения предпочтительнее „свободные" тензорезистив-ные преобразователи, которые почти полностью совмещают функции упругого элемента и тензорезистора, обеспечивая высокую собственную частоту и хорошую стабильность нуля, так как жесткость других упругих элементов (мембраны, сильфона и пр.) в этом случае выбирается существенно меньшей.

   Преобразователь указанного типа (рис. 42, в) содержит защемленную по краям мембрану 3, на которой закреплены стержни 1 и 4. На концах стержней смонтированы „свободные" проволочные тензорезисторы 2 и 5. Под действием разности давлений мембрана деформируется, благодаря чему стержни поворачиваются з разные стороны, увеличивая натяжение одного из тензорезисторов и уменьшая натяжение другого. На выходе мостовой схемы, активными плечами которой являются оба тензорезистора, возникает выходной электрический сигнал, преобразуемый далее обычными способами.

  Если  стержни закреплены на расстоянии г = R/y/T от центра мембраны, то угол их поворота

±^.-_£1.р,                                  (4.16)

где R — радиус мембраны; h - толщина мембраны; Е — модуль упругости материала; ц – коэффициент Пуассона.

   При жесткости нитей, существенно превышающей  жесткость мембраны, поворот стержней практически не происходит вследствие компенсации момента со стороны мембраны моментом сил натяжения нитей.