Система измерения давления в нефтепроводе
Дипломная работа - Компьютеры, программирование
Другие дипломы по предмету Компьютеры, программирование
°ет давление, приблизительно равное 1 Па. В промышленности применяется другая единица давления, называемая торр (это название дано в честь физика Торричелли), которая определяется как давление, создаваемое столбиком ртути высотой 1 мм при 0С, нормальном атмосферном давлении и нормальной гравитации. Идеальное давление атмосферы Земли, равное 760 торр, называется технической атмосферой:
атм = 760 торр, (1.6)
атм = 101.325 Па. (1.7)
В системе единиц США давление измеряется в фунтах-силы на квадратный дюйм. Эта единица там обозначается как psi. Для перевода psi в единицы системы СИ можно воспользоваться соотношением:
psi = 6.89 х 103 Па, (1.8)
psi = 0.0703 атм. (1.9)
Принцип действия любого датчика давления заключается в преобразовании давления, испытываемого чувствительным элементом, в электрический сигнал. В конструкцию практически всех преобразователей давления входят сенсоры, обладающие известной площадью поверхности, чья деформация или перемещение, возникающие вследствие действия давления, и определяются в процессе измерений. Таким образом, многие датчики давления реализуются на основе детекторов перемещения или силы, причиной возникновения которой является тоже перемещение.
2. Обоснование выбранного направления работы
2.1 Электрические манометры
Действие этих приборов основано на зависимости электрических параметров преобразователя давления от величины измеряемого давления. К ним относятся: пьезометрические манометры, в которых используется зависимость электрического заряда пьезоэлемента от измеряемого давления; манометры сопротивления, основанные на зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента от измеряемого давления; ионизационные манометры, действие которых базируется на зависимости силы тока положительных ионов, образованных в результате ионизации молекул разряженного газа, от измеряемого давления; а также радиоизотопные манометры, в которых для ионизации газа используется излучение радиоизотопных источников.
Использование современных приборов повышает надежность, точность измеряемых величин, увеличивает продолжительность работы. Использование достаточно точных элементов повышает точность устройства, увеличивает помехоустойчивость, а также другие показатели. Разработка таких устройств является важной частью проектирования.
2.2 Сильфоны, мембраны и тонкие пластины
Чувствительные элементы, входящие в состав датчиков давления, являются механическими устройствами, деформирующимися под действием внешнего напряжения. Такими устройствами могут быть трубки Бурдона (С-образные, спиральные и закрученные), гофрированные и подвесные диафрагмы, мембраны, сильфоны и другие элементы, форма которых меняется под действием на них давления.
Рис.2.1 А - стальной сильфон, используемый в датчиках давления (Servometer Corp., Cedar Grove, NJ), Б - металлическая гофрированная диафрагма, применяемая для преобразования давления в линейное перемещение
На рис.2.1А показан сильфон, преобразующий давление в линейное перемещение, которое может быть измерено при помощи соответствующего датчика. Таким образом, сильфон выполняет первый этап преобразований давления в электрический сигнал. Он обладает относительно большой площадью поверхности, что дает возможность получать довольно существенные перемещения даже при небольших давлениях. Жесткость цельного металлического сильфона пропорциональна модулю Юнга материала и обратно пропорциональна внешнему диаметру и количеству изгибов на нем. Жесткость сильфона также связана кубической зависимостью с толщиной его стенок.
На рис.2.1Б показана диафрагма, применяемая в анероидных барометрах для преобразования давления в линейное отклонение. Диафрагма, формирующая одну из стенок камеры давления, механически связана с тензодатчиком, который преобразует ее отклонения в электрический сигнал. В настоящее время большинство датчиков давления такого типа изготавливаются с кремниевыми мембранами, методами микро-технологий.
Рис.2.2 Деформация тонкой пластины (А) и мембраны (Б) под действием давления р
Мембрана - это тонкая диафрагма, радиальное растяжение которой S измеряется в Ньютонах на метр (рис.2.2Б). Коэффициентом жесткости при изгибе здесь можно пренебречь, поскольку толщина мембраны гораздо меньше ее радиуса (по крайней мере в 200 раз). Приложенное давление к одной из сторон мембраны сферически выгибает ее. При низких значениях давления р отклонение центра мембраны zm и ее механическое напряжение уm являются квазилинейными функциями давления (напряжение измеряется в Н/м2):
, (2.1)
, (2.2)
где r - радиус мембраны, a g - ее толщина. Механическое напряжение мембраны считается постоянным по всей ее поверхности.
Для нахождения наименьшей собственной частоты мембраны можно воспользоваться следующим соотношением:
, (2.3)
где р - плотность материала мембраны. При значительной толщине мембраны, когда ее отношение r/g ?100, речь уже идет о тонкой пластине (рис.2.2А). Если такую пластину закрепить между двумя зажимными кольцами, в системе появится значительный гистерезис, вызванный силами трения между кольцами и пластиной. Поэтому пластину и поддерживающие компоненты лучше изготавливать в виде монолитной конструкции.
Для пластины, также как и для мембраны, максимальное отклонение линейно связано с ?/p>