2.4 Пьезоэлектрический преобразователь давления

На рисунке 2.5показано устройство пьезо­электрического датчика давления с двумя кварцевыми пластина­ми. Измеряемое давление действует на мембрану 1, представляю­щую собой дно корпуса датчика. Кварцевые пластины 2 зажаты между металлическими прокладками 3. Средняя прокладка 3 со­единена с выводом 4, проходящим через экранированную втулку 5из изоляционного материала. Крышка 6 соединяется с корпусом и через шарик 7передает давление пластинам, благодаря чему изме­ряемое давление распределяется по поверхности кварцевых плас­тин более равномерно. Кварцевые пластины обычно расположены таким образом, что визмерительную схему подается отрицательный потенциал. Положительный потенциал подается на корпус датчика. Для уменьшения утечки зарядов необходима очень качественная изоляция. С этой же целью поверхность кварцевых пластин тщательно полируют. Использование двух (а иногда и больше) пластин повышает выходную ЭДС, поскольку выходные сигналы пластин складываются.

Рисунок 2.5 – Схема пьезоэлектрического преобразователя давления

Давление вызывает деформацию мембраны и сжатие-растяжение кварцевых пластин, между пластинами возникает электрический заряд Q и напряжение U определяемое по формуле:

U = = , (2.4)

где С_п – емкость преобразователя;

С₀ – емкость проводов и входной цепи прибора;

k – пьезоэлектрический модуль кварца;

S– площадь поверхности мембраны;

P – давление.

Сложность использования пьезопреобразователей заключается в том, что их выходной величиной является электрический заряд, который очень быстро «стекает», то есть преобразуется в теплоту.

2.5 Фотоэлектрический преобразователь давления

Существуют две основных схемы включения фотоэлемента – фотогенераторная и фотодиодная. Фотогенераторная схема – это схема, в которой фотодиод в прямом включении подключается к вольтметру.

Рисунок 2.6 – фотогенераторная схема

Фотодиодная схема. Фотодиод включается, подобно резистору, в обратном включении. В этой схеме сопротивление фотодиода зависит от внешнего светового потока Ф, с увеличением светового потока сопротивление уменьшается, и фототок в цепи увеличивается.

Рисунок 2.7 – фотодиодная схема

Зависимость фототока от светового потока линейна и поэтому её широко используют для измерения физических величин, в том числе и давления.

2.6 Выводы

Для дальнейшего рассмотрения выбран тензорезистивный метод, поскольку он прост в расчетах и используемые для него измерительные преобразователи являются наиболее простыми и эффективными для измерения необходимой физической величины.

3 Разработка технического задания

Наименование и область применения

Наименование

Средство измерения для контроля давления на промышленном предприятии.

Область применения

  Преобразователи давления используются в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами и предназначены для непрерывного преобразования в унифицированный выходной токовый сигнал.

Основание для разработки

Основной документ

Разработка средства измерения осуществляется на основании задания на курсовое проектирование.

Исполнитель

Ответственным исполнителем проекта является студент группы 31-УК федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Ряполова Ольга Сергеевна.

Заказчик

Проект выполняется в соответствии с заданием на дипломное проектирование, выданным кафедрой «Приборостроение, метрология и сертификация» ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК». Базовым предприятием проекта является ЗАО «Протон-Импульс».

Сроки выполнения

Начало выполнения проекта: 05.02.2013.

Окончание проекта: 20.04.2013.

Цель и назначение разработки

Цель разработки

Разработка элементов конструкторской документации, создание пояснительной записки, выполнение расчётов элементов конструкции стенда, проведение технико-экономического обоснования целесообразности его разработки, анализ мероприятий по обеспечению безопасности жизнедеятельности и охраны труда в подразделениях, связанных с эксплуатацией средства измерения.

Назначение разработки

Средство измерения предназначено для контроля давления на промышленном предприятии.

Технические требования

Состав изделия и требования к средству измерения

Средство измерения должно быть выполнено в настольном исполнении и состоять из двух основных частей:

– средств сопряжения с объектом исследований: первичные преобразователи, токосъёмники, линии связи;

– блока обработки измерительных сигналов и отображения информации в аналоговой форме, десятичном цифровом коде и с возможностью сопряжения с персональным компьютером.

Конструктивное исполнение

Конструктивное исполнение средства измерения должно обеспечивать:

– взаимозаменяемость основных однотипных составных частей;

– удобство эксплуатации;

– исключение возможности несанкционированного доступа к блокам;

– ремонтопригодность;

– требования централизованного включения и отключения электропитания всех функциональных блоков.

Габаритные размеры средства измерения

Габаритные размеры средства измерения (длина, ширина, высота) должны быть не более 200 х 100 х 50 мм.

Масса средства измерения

Масса средства измерения должна быть не более 1,5 кг.

Требования к электропитанию средства измерения

Электропитание должно осуществляться от гальванического элемента со значением постоянной электродвижущей силы не более 9 В.

Средство измерения должно содержать элементы сигнализации о включении, отключении, ненормальной работе.

Требования электромагнитной совместимости

По устойчивости к воздействию электромагнитных помех средство измерения должно соответствовать ГОСТ Р 51317.6.1-99, критерий качества функционирования В. Уровень индустриальных радиопомех, создаваемых прибором при работе, не должен превышать значений, установленных ГОСТ Р 51318.22-99, класс Б.

Показатели назначения

Тип объектов диагностирования: электромагнитная обстановка в вычислительном центре промышленного предприятия.

Виды определяемых неисправностей: напряжение электромагнитной помехи.

Время измерения, не более: 1 с.

Индикация показаний: аналоговая, цифровая, наличие возможности сопряжения с персональным компьютером.

Потребляемая мощность, не более: 2 ВА.

Показатели назначения могут быть скорректированы на стадии разработки проекта и по результатам испытаний.

Требования к стандартизации и унификации

Средство измерения должно иметь унифицированный аналоговый выход с диапазоном изменения напряжения 0…10 В, пропорционального активному электрическому сопротивлению объекта диагностирования.

Показатели надёжности

Средняя наработка до отказа, не более: 10000 ч.

Подтверждение средней наработки на отказ на стадии приёмочных испытаний осуществляется расчётными методами.

Эстетические и эргономические требования

Средство измерения должно обеспечивать удобство контроля уровня электромагнитных помех, быть удобным в эксплуатации и хранении, пригодным для ремонта с помощью универсальных технических средств.

Цвета символов и поверхностей должны быть взаимно контрастными.

Поверхности с нанесёнными на них символами не должны создавать бликов. Качество покрытий – не ниже IV класса по ГОСТ 9.032-74.

Надписи на приборе должны быть размещены таким образом, чтобы была обеспечена их принадлежность к конкретному органу управления.

Условия эксплуатации

Нормальными условиями эксплуатации должны быть:

– температура окружающего воздуха от плюс 10 до плюс 35 ⁰С;

– относительная влажность воздуха до 80 % при 25 ⁰С;

– атмосферное давление от 84 кПа до 107 кПа.

Вид климатического исполнения 4.2 по ГОСТ 15150-69.

Средство измерения должно обслуживаться одним оператором (подключение к объекту, подключение к аналоговому входу преобразователя, обработка информации) с опытом работы и технического обслуживания преобразователя, компьютера и контрольно-измерительной аппаратуры.

Средство измерения должно обеспечивать возможность работы при подключении к объектам диагностирования, удовлетворяющим следующим условиям:

– наличие заземлённого электрического контакта с одной из деталей объекта контроля;

– экранирование электромагнитных помех, в том числе помех, создаваемых приводом объекта диагностирования;

– отсутствие электрических цепей, замыкающих накоротко вращающиеся и неподвижные детали объекта диагностирования;

– отсутствие источников дополнительной электризации объекта диагностирования (токовые утечки на корпус объекта и тому подобное);

– отсутствие агрессивных сред;

– удалённость объекта диагностирования (требуемая длина линий связи) – не более 1 м;

– использование токосъёмных устройств с малым уровнем собственных шумов.

Требования к объектам диагностирования могут быть скорректированы (дополнены) на стадии разработки проекта и по результатам испытаний.

Требования безопасности, охраны здоровья и природы

Средство измерения должно соответствовать классу защиты 01 по ГОСТ 12.2.007.0-75.

Сопротивление рабочей изоляции частей стенда должно быть не менее 2 МОм.

Электрическая прочность изоляции между токоведущими цепями, а также между токоведущими цепями и корпусом, должна обеспечивать отсутствие пробоев и поверхностных перекрытий изоляции при 1500 В при нормальных климатических условиях эксплуатации.

Конструкция средства измерения должна обеспечивать электрическую безопасность для обслуживающего персонала при нормальной эксплуатации и соответствовать ГОСТ 12.2.007.0-75.

Средство измерения должно соответствовать требованиям пожарной безопасности по ГОСТ 12.1.004-91.

Уровень шума на рабочем месте (эквивалентный уровень звука) не должен превышать 50 дБА согласно ГОСТ 12.1.003-83.

Требования патентной чистоты и патентной защиты

Средство измерения должно обладать патентной чистотой в Российской Федерации и странах Содружества Независимых Государств.

Требования технологичности и метрологического обеспечения

Конструкции деталей, сборочных единиц стенда должны быть технологичны.

Испытания и настройка стенда должны осуществляться с помощью серийно выпускаемых средств измерений.

Средство измерения должно быть в максимальной степени укомплектован стандартными серийно выпускаемыми элементами и комплектующими отечественного производства.

Требования к маркировке и упаковке

Маркировка средства измерения должна соответствовать ГОСТ 26828-86, ГОСТ Р 12.4.026-2001 и конструкторской документации.

Маркировка должна содержать:

– наименование или товарный знак предприятия-изготовителя;

– наименование и (или) условное обозначение средства измерения;

– порядковый номер по системе нумерации предприятия-изготовителя;

– год, месяц изготовления;

– напряжение и частоту питания, род потребляемого тока.

Место и способ нанесения маркировки должны соответствовать требованиям, указанным в конструкторской документации.

Маркировка тары должна соответствовать требованиям ГОСТ 14192-96, ГОСТ Р 12.4.026-2001 и конструкторской документации.

Консервация средства измерения должна производиться согласно ГОСТ 9.014-78, группа III-1, вариант временной защиты В3-10.

Требования к транспортированию и хранению

Средство измерения в упаковке предприятия-изготовителя должен транспортироваться на любое расстояние в закрытых транспортных средствах. Транспортирование должно осуществляться в соответствии с правилами перевозок, действующими на каждом виде транспорта.

Средство измерения должно храниться в отапливаемых помещениях у изготовителя и у потребителя в упакованном виде при температуре от плюс 5 до плюс 40 ⁰С и относительной влажности, не превышающей 80 %. В помещении для хранения не должно быть агрессивных примесей, вызывающих коррозию.

Срок хранения без переконсервации – не более 12 месяцев.

Экономические показатели

Сметная стоимость конструкторских расчетов

Разработка конструкторской документации и изготовление опытного образца: не более 20000 руб.

Предполагаемый выпуск

Средство измерения предполагается изготовить в количестве 10 штук. Дальнейшая предполагаемая реализация оптом и в розницу.

Экономические и социальные преимущества по сравнению с прототипом

Средство измерения должно обеспечивать простоту и низкую стоимость контроля уровня электромагнитных помех в вычислительном центре промышленного предприятия при обеспечении достоверности определения всех установленных неисправностей объекта.

Стадии и этапы разработки

Стадии и этапы разработки средства измерения приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Стадии и этапы разработки средства измерения

Стадия разработки	Этап выполнения работ	Срок окончания работ
1	2	3
Техническое задание	Разработка технического задания на конструкторский расчет	24.02.2013
Технический проект	Разработка технического проекта с присвоением документации литеры «Т». Изготовление макета. Корректировка проектной документации. Рассмотрение и утверждение проекта.	04.04.2013
Рабочая конструкторская документация опытного образца	Разработка конструкторской документации, предназначенной для изготовления и испытания опытного образца без присвоения литеры. Изготовление и предварительные испытания опытного образца. Корректировка конструкторской документации по результатам изготовления и предварительных испытаний с присвоением документации литеры «О». Приёмочные испытания. Корректировка документации по результатам приёмочных испытаний с присвоением документации литеры «О1».	16.04.2013

Предполагаемое предприятие-изготовитель

Предполагаемое предприятие-изготовитель – ЗАО «Протон-Ипмульс».

Порядок контроля и приёмки

На испытания должен предъявляться комплект документации в соответствии с ГОСТ 2.102-68.

Программа и методика испытаний согласовываются приёмочной комиссией.

На приёмочные испытания должен быть представлен один опытный образец средства измерения.

Место проведения приёмочных испытаний – ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК».