Способ градуировки измерительного преобразователя давления и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для испытаний и градуировки измерительных преобразователей давления на объекте испытания, в котором они встроены. Способ осуществляют путем одновременного нагружения образцового и рабочего измерительных преобразователей, одновременного измерения этой нагрузки и определения функциональной зависимости между показаниями образцового и рабочего измерительных преобразователей. Измерительные преобразователи нагружают сосредоточенной силой. Градуировку рабочего измерительного преобразователя осуществляют на преобразователе мембранного типа, для чего предварительно закрепляют на поверхности его мембраны координатную сетку с произвольно выбранными направлениями координатных осей Х и У прямоугольной системы координат и совмещают начало координат с предполагаемым центром мембраны. Нагружают мембрану сосредоточенной силой, нормальной к ее поверхности не менее чем в пяти точках мембраны с координатами Х₁, 0; 0,0; - Х₁,0; О, У₁, 0, - У₁, где Х₁ и У₁ выбирают в диапазоне от 0,4 до 0,6 характерного размера мембраны. По построенным эпюрам чувствительности рабочего преобразователя к сосредоточенной силе по осям Х и У определяют фактический центр мембраны как точку пересечения прямых, параллельных осям Х и У и проходящих через точки максимальной чувствительности построенных эпюр, после чего градуируют измерительный преобразователь давления нормальной силой, сосредоточенной в фактическом центре мембраны, а чувствительность к давлению рассчитывают по формуле. Технический результат - возможность испытаний и градуировки преобразователей на объекте испытания, в котором они встроены, и повышение безопасности работ. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 7 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для испытаний и градуировки измерительных преобразователей давления.

Известен способ градуировки измерительного преобразователя давления путем одновременного нагружения давлением образцового и рабочего измерительных преобразователей, одновременного измерения этого давления и нахождения функциональной зависимости между показаниями образцового и рабочего измерительных преобразователей давления (см. А.С. СССР N 1247700, кл. G 01 L, 27/00, 1986), принятый нами за прототип.

Известно устройство для градуировки измерительного преобразователя давления, содержащее устройство для создания давления, присоединенные к нему образцовый и градуируемый измерительные преобразователи давления и регистраторы (см. ГОСТ 8.092-73. Мамометры, вакууметры, мановакуумметры, тягомеры, напоромеры и тягонапоромеры с унифицированными электрическими (токовыми) выходными сигналами. Методы и средства поверки.), принятое нами за прототип.

Недостатком известного способа и устройства является невозможность их использования для измерительных преобразователей, смонтированных неразъемно или выполненных за одно целое с корпусом объекта испытаний, а также опасность проведения работ при больших давлениях.

Заявленное изобретение направлено на обеспечение возможности испытаний и градуировки измерительных преобразователей давления на объекте испытания, в котором они встроены, и повышение безопасности работ.

Для этого нагрузку на образцовый и рабочий преобразователи задают сосредоточенной силой, причем градуировку рабочего преобразователя проводят на преобразователе мембранного типа, предварительно закрепив на поверхности его мембраны координатную сетку с произвольно выбранными направлениями координатных осей X и Y прямолинейной системы, совмещая начало координат с предполагаемым центром мембраны, затем нагружают мембрану сосредоточенной силой, нормальной к ее поверхности, не менее чем в пяти точках мембраны с координатами X₁, О; О,О; -X₁,О; О,-Y₁, где X₁ и Y₁ выбирают в диапазоне преимущественно от 0,4 до 0,6 характерного размера мембраны (например, радиуса), одновременно измеряют амплитудные значения приложенной силы образцовым преобразователем, выходного сигнала градуируемого рабочего преобразователя и координаты точки нагружения, определяют чувствительность градуируемого преобразователя к сосредоточенной силе в точках нагружения и строят эпюры чувствительности преобразователя к сосредоточенной силе по осям X и Y, по ним находят центр мембраны как точку пересечения прямых, параллельных осям X и Y и проходящих через точки максимальной чувствительности построенных эпюр, после чего градуируют измерительный преобразователь давления нормальной силой, сосредоточенной в центре мембраны, а чувствительность к давлению определяют по формуле где F - показание силы образцового преобразователя; A_вых - показание градуируемого преобразователя, соответствующее силе F; S - площадь мембраны градуируемого преобразователя; a - конструктивный коэффициент.

Устройство для градуировки измерительного преобразователя давления, включающее нагружающее устройство, рабочий и образцовый преобразователи и регистраторы, причем образцовый преобразователь выполнен в виде преобразователя силы, связанного через силопередающий шток с центром мембраны, при этом шток установлен нормально к поверхности мембраны, на которой закреплена координатная сетка, а электрические выходы образцового и рабочего преобразователей связаны с регистраторами через усилители сигналов.

Сущность заявленного изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано устройство для градуировки измерительного преобразователя; на фиг. 2 показаны эпюры чувствительности градуируемого преобразователя по осям X и Y; на фиг. 3 - схема размещения градуируемых преобразователей давления на объекте испытаний; на фиг. 4 - сечение а-a измерительных преобразователей; на фиг. 5 - математическая аппроксимация эпюры чувствительности мембранного преобразователя давления; на фиг. 6, 7 - эпюры чувствительности при смещении начала координат от центра мембраны.

Устройство (см. фиг. 1) содержит объект испытания 1 - лопасть гребного винта, на котором встроены измерительные преобразователи давления 2 мембранного типа, образцовый преобразователь силы 3, нагружающее устройство 4, силопередающий шток 5, установленный нормально к поверхности мембраны, на которой закреплена координатная сетка 6. Электрические выходы образцового и градуируемого преобразователей через усилители сигналов 7 и 8 связаны с регистраторами 9 и 10.

Измерительные преобразователи давления (см. фиг. 3, 4) выполнены в теле лопасти гребного винта путем фрезерования гнезд 11 с перегородками 12. Дно гнезд 13 образует мембрану, на внутренней поверхности мембраны размещены тензорезисторы 14. Гнезда закрыты крышками 15. Выводы от тензорезисторов 14 проложены в специальных канавках, выполненных в теле лопасти гребного вита, к ступице винта (на фиг. 3, 4 не показаны). Мембраны 13 с тензорезисторами 14, перегородками 12 и телом лопасти 1 образуют измерительные преобразователи давления. Местонахождение мембран на рабочей поверхности лопасти (на фиг. 3 они показаны пунктиром) устанавливаются по конструкторской документации.

Предложенные способ и устройство работают следующим образом.

На поверхности мембраны 13 (см. фиг. 4) закрепляют координатную сетку 6 с произвольно выбранными направлениями координатных осей X и Y прямоугольной системы, совмещая начало координат с предполагаемым центром мембраны. Силопередающий шток 5 (фиг. 1), соединенный с образцовым датчиком силы 3, устанавливают нормально к поверхности мембраны в точке с координатами X = О, Y = О и нагружающим устройством 4 задают необходимую по величине силу F одновременно на образцовый 3 и градуируемый 2 преобразователи. Одновременно измеряют показание силы F на регистраторе 9 и показание A_вых измерительного преобразователя давления по регистратору 10. Перемещают силоперадающий шток 5 с образцовым датчиком 3 по оси X координатной сетки 6 в точку с координатами X = X₁, Y = О. Нагружающим устройством 4 задают нормальную сосредоточенную в новой точке силу, которую одновременно измеряют на регистраторах 9 и 10.

Указанные операции последовательно выполняют также в точках мембраны с координатами X = -X₁, Y = О; X = О, Y = Y₁; X = О, Y = -Y₁. В каждой точке нагружения мембраны измеряют координаты точки нагружения и соотносят их с измеренными величинами силы F образцовым датчиком и сигнала AA_вых градуируемого преобразователя.

Для каждой точки нагружения определяют чувствительность градуируемого преобразователя к сосредоточенной силе по формуле: и строят эпюру чувствительности γ(X) для точек нагружения по оси X и отдельно эпюру чувствительности γ(Y) для точек нагружения по оси Y (см. фиг. 2). Через точки А и Б максимальной чувствительности проводят прямые АА' и ББ', параллельные осям X и Y. Точка пересечения этих прямых является фактическим центром мембраны.

После этого силопередающий шток 5 устанавливают в найденном центре мембраны и градуируют измерительный преобразователь нормальной силой, сосредоточенной в центре мембраны. Чувствительность измерительного преобразователя к давлению определяют по формуле
где F - показание силы образцового преобразователя;
AA_вых - показание градуируемого преобразователя, соответствующее силе F;
S - площадь мембраны градуируемого преобразователя;
a - конструктивный коэффициент.

Под действием нагрузки в виде равномерного распределенного давления P или сосредоточенной силы F в мембране возникают изгибные, радиальные и окружные деформации, а мембрана прогибается.

Теоретически показано (см. например, С.П. Тимошенко, Сопротивление материалов, ОГИЗ, 1946 г., т. 2, с. 136-137 или Л.Е. Андреева, Упругие элементы приборов, М. Машиностроение, 1981 г., с. 154-159) что сосредоточенная сила в центре мембраны вызывает радиальные напряжения по заделанному контуру, вдвое большие, чем напряжения от действия нагрузки той же величины, но равномерно распределенной по мембране, а прогиб в центре мембраны в четыре раза больше прогиба от действия равномерно распределенной нагрузки той же величины. Поэтому для преобразователей емкостного и индуктивного типа, а также других типов датчиков, основанных на преобразовании прогиба мембраны, коэффициент a = 4.

Для тензорезисторных измерительных преобразователей, у которых тензорезисторы закреплены непосредственно на мембране и реагируют на радиальные и окружные деформации на ее поверхности, теория не дает соотношения между сосредоточенной и равномерно распределенной нагрузкой, которые были бы эквивалентны по интегральному воздействию на тензорезистор, т.е. по всей поверхности мембраны. Поэтому коэффициент "a" для тензорезисторных преобразователей определялся экспериментально путем сравнения результатов градуировки давлением по ГОСТ 8.092-73 и сосредоточенной силой по предложенному способу. Установлено, что для таких преобразователей a = 5.

Значения координат X₁ и Y₁ выбирают в диапазоне преимущественно от 0,4 до 0,6 характерного размера мембраны. Для круглой мембраны характерным размером является ее радиус, для квадратной мембраны - сторона квадрата.

Диапазон где R - характерный размер мембраны (R - радиус для круглой мембраны), обусловлен следующими соображениями. Характеристика чувствительности мембранного преобразователя (см. фиг. 5) практически линейна от 0,25 до 0,75 (точно такая же характеристика и по Y). Поэтому даже с учетом некоторого смещения начала координат от фактического центра мембраны результаты измерения чувствительности в точках с координатами X₁ и -X₁ (Y₁ и -Y₁) оказываются на линейных участках характеристики чувствительности, что способствует повышению точности определения величины смещения начала координата от фактического центра мембраны. Кроме того, шаг смещения по мембране X₁ и Y₁ желательно иметь достаточно большим, чтобы полнее охватить характеристику чувствительности мембраны по трем точкам нагружения (в направлении одной оси, X или Y), а следовательно, и точнее определить центр мембраны. Однако при шаге смещения более 0,6 велика вероятность нагружения мембраны в области, близкой к заделке мембраны в корпусе, где чувствительность сравнительно низкая, а точность такого измерения будет невысокой.

При взаимодействии морских инженерных сооружений со льдом на их элементах могут возникать значительные ледовые нагрузки, достигающие величины 30 МПа (300 кг/см²). Градуировка датчиков на установках с таким давлением относится к категории взрывоопасных работ. Значительные технические трудности возникают при обеспечении герметичности мест присоединения преобразователей давления к установке. Использование сосредоточенной силы при градуировке делает эту операцию безопасной. Так для преобразователя давления, имеющего площадь мембраны 1 см², для имитации давления 300 кг/см² требуется сила в 60 кГ.

Испытания мембранных преобразователей давления нормальной сосредоточенной силой показали, что зависимость чувствительности преобразователя к такой силе от координаты ее приложения имеет куполообразную форму, которая аппроксимируется математической зависимостью

где относительная чувствительность преобразователя к сосредоточенной нормальной силе;
γ_max - максимальная чувствительность в центре мембраны,

относительная координата мембраны,

На фиг. 5 представлена зависимость (2), на которую наложены экспериментальные точки, полученные в результате испытаний преобразователя давления с круглой мембраной.

Используя математическое описание (2) зависимости чувствительности измерительного преобразователя от координаты приложения сосредоточенной силы, значительно упрощается процесс нахождения центра мембраны по трем точкам измерений. Для этого полученные значения чувствительности по одной из осей, например X, относят к максимальному значению чувствительности, полученному в этих трех измерениях. Наносят значения относительной чувствительности γ_i/γ_max на координатную плоскость Совмещая кривую (2) с экспериментальными точками относительной чувствительности определяют координаты центра мембраны по максимуму кривой (2).

В таблице приведены значения чувствительности измерительного преобразователя γ_i измеренные в точках с координатами X_i, Y_i, когда начало координат координатной сетки искусственно сдвинуто относительно центра мембраны на величину по оси X и по оси Y.

На фиг. 6 и 7 построены эпюры чувствительности измерительного преобразователя по экспериментальным данным, приведенным в таблице, путем совмещения их с кривой (2). Максимумы чувствительности этих эпюр четко указывают на смещение начала координат относительно центра мембраны на а

Формула изобретения

1. Способ градуировки измерительного преобразователя давления путем одновременного нагружения образцового и рабочего измерительных преобразователей, одновременного измерения этой нагрузки и определения функциональной зависимости между показаниями образцового и рабочего измерительных преобразователей, отличающийся тем, что измерительные преобразователи нагружают сосредоточенной силой, градуировку рабочего измерительного преобразователя осуществляют на преобразователе мембранного типа, для чего предварительно закрепляют на поверхности его мембраны координатную сетку с произвольно выбранными направлениями координатных осей X и Y прямоугольной системы координат, совмещают начало координат с предполагаемым центром мембраны, затем нагружают мембрану сосредоточенной силой, нормальной к ее поверхности не менее чем в пяти точках мембраны с координатами X₁, 0; 0, 0; -X₁, 0; 0, Y₁; 0, -Y₁, где X₁ и Y₁ выбирают в диапазоне от 0,4 до 0,6 характерного размера мембраны, одновременно измеряют амплитудные значения приложенной силы образцовым преобразователем, выходного сигнала градуируемого рабочего преобразователя и координаты точки нагружения, определяют чувствительность рабочего преобразователя к сосредоточенной силе в точках нагружения и по построенным эпюрам чувствительности рабочего преобразователя к сосредоточенной силе по осям X и Y определяют фактический центр мембраны как точку пересечения прямых, параллельных осям X и Y и проходящих через точки максимальной чувствительности построенных эпюр, после чего градуируют измерительный преобразователь давления нормальной силой, сосредоточенной в фактическом центре мембраны, а чувствительность γ к давлению рассчитывают по формуле:

где F - показание образцового измерительного преобразователя;
A_вых - показание градуируемого измерительного преобразователя;
S - площадь мембраны градуируемого измерительного преобразователя;
a - конструктивный коэффициент, a = 4 для индуктивных и емкостных преобразователей, a = 5 для тензорезисторных преобразователей с круглой мембраной.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве характерного размера мембраны выбирают ее радиус.

3. Устройство для градуировки измерительного преобразователя давления, содержащее нагружающее устройство, рабочий и образцовый измерительные преобразователи и регистраторы, отличающееся тем, что образцовый преобразователь выполнен в виде преобразователя силы, связанного через силопередающий шток с центром мембраны рабочего измерительного преобразователя, при этом шток установлен нормально к поверхности мембраны, на которой закреплена координатная сетка, а электрические выходы образцового и рабочего измерительных преобразователей связаны с регистраторами через усилители сигналов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8