Спосіб вимірювання тиску середовищ зі швидкозмінною температурою

Реферат: Винахід належить до галузі вимірювальної техніки і може бути використаний при вимірюванні тиску середовищ зі змінною температурою, наприклад в таких галузях як теплоенергетика, енерготранспортування та енергооблік, аерокосмічна промисловість, двигунобудування. Спосіб вимірювання тиску середовищ зі швидкозмінною температурою полягає у перетворенні тиску середовища у прогин одночасно двох мембран, які ідентичні за статичними, динамічними і теплофізичними характеристиками, тільки виготовлені з матеріалів з різними коефіцієнтами, вимірюванні прогинів мембран, які залежать від температури вимірюваного середовища та визначенні значення вимірюваного тиску за формулою: 16w 2 ( t )Eh3  w1( t )   л2  w1( t )   л1    , де 3R 4 (1   2 )  w1( t )   л1  w 2 ( t )   л2  R, h, E,  - радіус, товщина, модуль пружності і коефіцієнт Пуассона мембран; p( t )  w1( t ) , w 2 (t ) ,  л1 ,  л2 - прогини і коефіцієнти лінійного теплового розширення мембран. Наявність двох мембран, які ідентичні за статичними, динамічними і теплофізичними характеристиками, тільки виготовлені з матеріалів з різними коефіцієнтами, дозволяє в умовах термовпливів отримати два різних значення прогинів мембран від вимірюваного тиску і за цими значеннями встановити, причому у реальному часі, істинне значення вимірюваного тиску, яке позбавлене температурної похибки, що приводить до суттєвого підвищення точності вимірювання тиску, особливо в умовах швидкозмінної температури. UA 107072 C2 (12) UA 107072 C2 UA 107072 C2 5 10 15 20 25 Винахід належить до галузі вимірювальної техніки і може бути використаний при вимірюванні тиску середовищ зі змінною температурою, наприклад в таких галузях як теплоенергетика, енерготранспортування та енергооблік, аерокосмічна промисловість, двигунобудування. Найбільш близьким є спосіб вимірювання тиску [Спосіб вимірювання тиску середовища з нестаціонарною температурою. Патент України №85108, Бюл. №24, 2008], який полягає у перетворенні тиску середовища у прогин мембрани, вимірюванні прогину мембрани, що є вихідним сигналом, вимірюванні різниці температур ззовні мембрани і на її внутрішній стороні, коригуванні вихідного сигналу відповідно до цієї різниці температур. Однак відомий спосіб має низьку точність при вимірюванні тиску середовища зі швидкозмінною температурою. Найбільш близький спосіб вимірювання тиску в умовах нестаціонарної температури полягає у вимірюванні різниці температур ззовні і на внутрішній стороні мембрани та коригуванні вихідного сигналу відповідно до цієї різниці температур. Проте, такий спосіб має низьку точність при вимірюванні тиску в умовах швидкозмінної температури, оскільки вимірювачі температури, за допомогою яких отримують її значення на сторонах мембрани, мають інерційність, яка при швидкій зміні температури середовища призводить до значної похибки вимірювання. В основу винаходу поставлено задачу створення такого способу вимірювання тиску, який би дозволяв підвищити точність вимірювання в умовах швидкозмінної температури. Поставлена задача вирішується тим, що у способі вимірювання тиску середовищ зі швидкозмінною температурою, який полягає у перетворенні тиску середовища у прогин сприймаючої його мембрани, згідно з винаходом, встановлюють додаткову мембрану, яка ідентична до попередньої, але виготовлена з матеріалу з іншим коефіцієнтом лінійного теплового розширення, перетворюють одночасно тиск середовища у прогини двох мембран, вимірюють прогини мембран, які залежать від температури вимірюваного середовища та визначають значення вимірюваного тиску за формулою p( t )  30 35 40 45 16 w 2 ( t )Eh 3  w1( t )   л2  w1( t )   л1    3R 4 (1   2 )  w1( t )   л1  w 2 ( t )   л2  ,(1) де R, h,E,  - радіус, товщина, модуль пружності і коефіцієнт Пуассона мембран; w1(t ) , w2(t ) ,  л1 , л2 - прогини і коефіцієнти лінійного теплового розширення мембран. Використання додаткової мембрани, яка ідентична до існуючої за статичною, динамічною і теплофізичною характеристиками, тільки виготовлена з матеріалу з іншим коефіцієнтом лінійного теплового розширення, дозволяє при вимірюванні тиску середовища зі змінною температурою отримати два різні значення прогинів мембран та визначити за цими прогинами істинне значення вимірюваного тиску. Крім цього, оскільки прогини мембран відразу реагують на зміну температури середовища, то встановлення значення вимірюваного тиску за формулою (1) відбувається в реальному часі і саме цим суттєво підвищується точність вимірювання. Маємо дві мембрани, які сприймають тиск p(t) , та зазнають впливу швидкозмінної температури вимірювального середовища T( t ) . Мембрани є абсолютно ідентичними за своїми статичними, динамічними та теплофізичними характеристиками, але мають різні коефіцієнти лінійного теплового розширення  л . Такими матеріалами є, наприклад, залізо-нікель-титанові 6  6  сплави 36НХТЮ ( л  13  10 1/ С ) і 44НХТЮ ( л  8  10 1 / С ) . Результатом впливу температури T( t ) на мембрани є виникнення в них термонапружень [Аналіз термомеханічних процесів у мембранах вимірювачів тиску при термоударі. Машинознавство. Всеукраїнський щомісячний науково-технічний і виробничий журнал, №8-9, 2008р. с 7-15.]. Усереднені по об'єму мембран такі напруження становлять (тут покладається, що мембрани є жорстко защемлені) r ( t )1   ( t )1   E л1 1 1 R h   T(r, z, t )dzdr 1  R h 0 0 (2) i r ( t )2   ( t )2  50  E л2 1 1 R h   T(r, z, t )dzdr 1  R h 0 0 , (3) де T(r, z, t) -температурне поле у тілі мембран; r, z - координати по радіусу і товщині. 1 UA 107072 C2 Еквівалентні цим напруженням зусилля в площинах мембран на одиницю периметра є такими N1( t )   E л1 1 R h   T(r, z, t )dzdr 1  R 0 0 (4) i  E  л2 1 R h   T(r, z, t )dzdr 1  R 0 0 . (5) Саме ці зусилля спотворюють прогин мембрани від вимірюваного тиску, що виливається у температурну похибку. Таким чином, щоб встановити істинне значення тиску необхідно якимось чином ці зусилля знати, а для цього необхідно визначити характер температурного поля T(r, z, t) у мембран. У найбільш близькому способі саме таким шляхом і відбувається вимірювання тиску. При цьому зрозуміло, що для визначення характеру температурного поля у мембрані необхідно скористатись певними вимірювачами температури, які мають інерційність. Тому при швидкозмінній температурі вимірювального середовища, визначення характеру температурного поля у мембрані і, врешті-решт, визначення істинного значення вимірюваного тиску відбувається з запізненням, а тому точність вимірювання є низькою. При наявності зусиль (4) і (5) та вимірюваного тиску p(t) , прогини мембран описуються рівняннями N2 ( t )  5 10 15 w1( t )  3(1  2 )R2p( t )  Eh 3  16  N1( t )  2  (1  v )    (7) i w 2 (t)  20 3(1   2 )R2p( t )  Eh 3  16  N2 ( t )   (1  v 2 )   .  N2 ( t )  N1( t ) л1  л2 . Зважаючи на (4) і (5), маємо Тому w 2 (t)  3(1  2 )R2p( t )  Eh 3   16  N1( t ) л1   (1  v 2 )  л2    .(8) Беручи до уваги (8) і (6), отримуємо 16 w 2 ( t )Eh 3  w1( t )   л2  w1( t )   л1    3R 4 (1   2 )  w1( t )   л1  w 2 ( t )   л2  . Ця залежність дає змогу обчислювати істинне значення вимірюваного тиску в умовах дії швидкозмінної температури. При цьому таке обчислення завдяки простоті математичних процедур здійснюється в реальному часі. Пропонований спосіб дозволяє підвищити точність вимірювання тиску в умовах як статичних, так і швидкозмінних температур і, таким чином, розширити область його застосування. p( t )  25 30 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 35 Спосіб вимірювання тиску середовищ зі швидкозмінною температурою, який полягає у перетворенні тиску середовища у прогин сприймаючої його мембрани, який відрізняється тим, що встановлюють додаткову мембрану, яка ідентична до попередньої, але виготовлена з матеріалу з іншим коефіцієнтом лінійного теплового розширення, перетворюють одночасно тиск середовища у прогини двох мембран, вимірюють прогини мембран, які залежать від 2 UA 107072 C2 температури вимірюваного середовища та визначають значення вимірюваного тиску за формулою 16w 2 ( t )Eh3  w1( t )   л2  w1( t )   л1   , 3R 4 (1   2 )  w1( t )   л1  w 2 ( t )   л2  де R, h, E,  - радіус, товщина, модуль пружності і коефіцієнт Пуассона мембран; w1( t ) , w 2 (t ) ,  л1 , p( t )  5  л2 - прогини і коефіцієнти лінійного теплового розширення мембран. Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3