ИЗМЕРИТЕЛЬ  ДАВЛЕНИЯ

Потапов  Георгий  Кахаберович

студент  1  курса,  кафедра  технико-технологических  дисциплин  ВлГУ,  РФ,  г.  Владимир

E -mail:  ttd.tef@vlsu.ru

Шарыгин  Лев  Николаевич

научный  руководитель,  канд.  техн.  наук,  профессор  ВлГУ,  РФ,  г.  Владимир

В  измерителях  давления  в  качестве  первичного  преобразователя  широкое  распространение  получили  плоские  и  гофрированные  мембраны.  Вторичное  преобразование  осуществляют  с  применением  емкостных,  индуктивных,  тензометрических  [1,  2],  оптических  [3]  датчиков.  Аналоговая  форма  сигнала  этих  датчиков  ограничивает  точность  измерения  давления.

Предлагаем  конструкцию  измерителя  давления  с  частотным  преобразователем.  Выходной  частотный  сигнал  тоже  можно  рассматривать  как  аналоговый,  но  он  с  высокой  точностью  квантуется  и  дальнейшее  преобразование  можно  проводить  в  цифровой  форме.

Устройство  первичной  части  измерителя  давления  показано  на  рис.  1—4.  Имеется  корпус  1,  к  которому  винтами  2  присоединена  скоба  3  П-образной  формы.  В  корпусе  закаткой  по  контуру  закреплена  мембрана  4.  По  осевой  линии  устройства  размещено  колебательное  звено,  представленное  плоской  упругой  лентой  (растяжкой)  5  прямоугольного  сечения  толщиной  h  и  шириной  b  и  инерционной  массой  (балансом)  6.  Концы  растяжки  закреплены  в  тисковых  зажимах.  Нижний  зажим  (рис.  2)  содержит  опору  7  прямоугольного  сечения  в  верхней  части  (здесь  и  дальше  ориентация  по  чертежу).  Имеется  накладка  8,  которая  с  помощью  винтов  9  закрепляет  нижний  конец  растяжки.  Для  удобства  сборки  ниже  нижней  кромки  накладки  в  опоре  выполнено  глухое  отверстие  10  диаметром,  соответствующим  сечению  растяжки.  Нижняя  часть  опоры  7  имеет  цилиндрическую  форму  и  развальцовкой  закреплена  по  центру  мембраны.  Верхний  зажим  образован  опорой  11,  накладкой  12  и  винтами  13.  Верхняя  часть  опоры  11  имеет  квадратное  сечение  с  центральным  резьбовым  отверстием  и  она  размещена  в  отверстии  квадратного  сечения  скобы  3.  Крепление  верхней  опоры  осуществляется  винтом  14.  Для  базирования  растяжки  имеется  отверстие  15. 

Рисунок  1.  Осевой  разрез  измерителя  давления

  Конструктивно  баланс  представляет  собой  сборочную  единицу,  составленную  магнитопроводной  втулкой  16,  к  которой  по  торцам  развальцовкой  присоединены  два  плоских  магнитопровода  17,  18.  По  одним  концам  этих  магнитопроводов  встречно  прикреплены  постоянные  магниты  19,  20  осевой  намагниченности  с  образованием  магнитного  зазора.  Для  приведения  центра  масс  баланса  к  оси  втулки  16  по  другим  концам  магнитопроводов  установлены  противовесы  21,  22.  Крепление  баланса  в  средней  части  растяжки  осуществляется  полукруглыми  коническими  штифтами,  устанавливаемыми  в  отверстие  втулки  16  (на  чертеже  не  показаны).

Для  обеспечения  автоколебательного  движения  баланса  в  его  магнитный  зазор  помещена  бескаркасная  бифилярная  (намотанная  в  два  провода)  катушка  23.  Магниты  19,  20  и  катушка  образуют  магнитоэлектрический  привод,  управление  которым  осуществляет  электронная  схема  формирования  импульсов  привода  —  СФИП.  Электрическая  катушка  закреплена  в  расточке  электроизоляционной  стойки  24  с  помощью  накладки  25  и  винтов  26.  Стойка,  в  свою  очередь,  крепится  к  скобе  3  винтами  27.  Схема  формирования  импульсов  привода  в  простейшем  варианте  может  быть  выполнена  в  виде  электронного  ключа  по  рис.  4  и  смонтирована  навесным  монтажом  на  боковой  поверхности  стойки  24.  Электрические  выводы  СФИП  соединены  с  разъемом  28.

Рисунок  2.  Фрагмент  II   по  рис.  1

Рисунок  3  Фрагмент  I   по  рис.  1

Присоединение  измерителя  давления  к  объекту  исследования  осуществляется  с  помощью  переходника  29,  который  по  внешней  поверхности  имеет  шестигранную  форму  под  стандартный  гаечный  ключ.

Сборку  измерителя  давления  осуществляют  в  следующей  последовательности:

·     развальцовывают  в  центральном  отверстии  мембраны  4  опору  нижнюю  7;

·     закаткой  крепят  по  внешнему  контуру  мембрану  4  к  корпусу  1;

·     присоединяют  в  средней  части  заготовки  растяжки  предварительно  собранный  баланс;

·     крепят  верхний  конец  растяжки  к  верхней  опоре  11;

·     снизу  вверх  вставляют  верхнюю  опору  в  квадратное  отверстие  скобы  3  и  предварительно  закручивает  винт  14;

·     устанавливают  и  крепят  к  корпусу  1  скобу  3;

·     крепят  нижний  конец  растяжки  к  нижней  опоре  7;

·     устанавливают  предварительно  смонтированную  (с  катушкой  23  и  СФИП)  стойку  24  и  подпаивают  выводы  СФИП  к  разъему  28;

·     винтом  14  осуществляют  исходное  натяжение  растяжки.

Рисунок  4.  Схема  формирования  импульсов  магнитоэлектрического  привода

Последнюю  операцию  проводят  исходя  из  амплитудного  диапазона  автоколебаний  баланса.  Большему  натяжению  растяжки  соответствует  большая  частота  автоколебаний,  соответственно  меньшая  амплитуда  автоколебаний  баланса.  По  принципу  работы  магнитоэлектрического  привода  минимальная  амплитуда  ȹ_min  баланса  равна  половине  углового  размера  катушки.  Поэтому,  подключив  СФИП  к  источнику  электропитания  Е  закручивают  винт  14,  выдерживая  амплитуду  баланса  несколько  больше  ȹ_min.  Данной  настройке  будет  соответствовать  собственная  частота  колебаний  баланса  f_max. 

Под  действием  измеряемого  давления  исходный  прогиб  мембраны  будет  увеличиваться,  следовательно,  будет  уменьшаться  натяжение  растяжки,  что  приведет  к  снижению  частоты  и  увеличению  амплитуды  автоколебаний.  Максимальная  амплитуда  ȹ_max  обычно  принимается  равной  270^о,  если  при  этом  значении  не  будет  превзойдено  допустимое  механическое  напряжение  в  растяжке.

Таким  образом,  диапазон  измерения  давления  будет  определяется  перепадом  амплитуд  ȹ_max  -  ȹ_min  ,  которому  в  качестве  выходного  сигнала  соответствуют  частоты  на  выходе  СФИП  от  f_max  до  f_min.

Найдем  передаточную  функцию  измерителя  давления.  Для  первичного  преобразователя  —  мембраны  —  известны  соотношения  [5]

  (1)

где:  r  —  радиус  мембраны;

Е  —  модуль  упругости  материала  мембраны;

h_m  —  толщина  мембраны;

Р  —  давление;

F  —  сила,  приложенная  к  центру  мембраны;

δ  —  линейное  перемещение  центра  мембраны.

Вторичным  преобразователем  является  автоколебательное  звено  баланс-растяжка.  Добротность  этого  звена  высока  в  виду  малых  диссипативных  потерь,  поэтому  частоту  автоколебаний  можно  принять  равной  собственной  частоте

  (2)

где:    —  момент  инерции  баланса;

  —  крутильная  жесткость  растяжки;  (3)

здесь  l,b,h  —  соответственно  длина,  ширина,  и  толщина  растяжки;

G  —  модуль  сдвига  материала  растяжки.

Расчет  растяжки  ведут  из  условия  прочности  [4]

,  (4)

где:  ,    —  соответственно  нормальные  напряжения  в  случае  чистого  изгиба  и  силы  напряжения  F;

τ  —  касательные  напряжения  от  угла  поворота  сечения.

Парциальные  напряжения  определяются  по  следующим  формулам

  (5)

Передаточная  функция  получится  следующим  образом.  Из  выражений  (1)  получим

  (6)

Подставляя  значение  силы  натяжения  растяжки  из  формулы  (3)  в  формулу  (2),  получим  для  частоты  колебаний  баланса

  (7)

Или  для  периода  колебаний  (T=1/f)

  (8)

где        ;         .

Обработку  электрического  сигнала  с  выхода  СФИП  целесообразно  проводить  компьютером,  пользуясь  выражением  (8).  В  случае  создания  автономного  прибора  следует  применить  микроконтроллер,  во  флеш-память  которого  записать  программу  в  соответствии  с  формулой  (8).

Список  литературы:

1.Беляев  Н.М.  Сопротивление  материалов.  М.:  Гостехиздат,  1959.  —  426  с.

2.Датчик  давления.  Патент  RU  2137099C1,  МПК  G01L  7/08,  9/06.  Опубл.  10.09.1999.

3.Мембранный  узел  датчика  давления.  Патент  RU  2280242C1,  МПК  G01L  7/08.  Опубл.  20.07.2006. 

4.Микробарограф.  Патент  RU  2029933C1,  МПК  G01L  7/12.  Опубл.  27.02.1995. 

5.Проектирование  датчиков  для  измерения  механических  величин/Под  ред.  Е.П.  Осадчего.  М.:  Машиностроение,  1979.  —  480  с.