Сравнительная оценка влияния нестационарных температур на чувствительные элементы датчиков давления различных типов методом конечных элементов

в протокол испытаний. В камере тепла и холода установить Т=50±30С, выдержать ВОДД при заданном значении температуры в течение 2ч, затем снять ГХ, контролируя выходное напряжение (выполнить данную операцию еще не менее 3 раз). Все параметры занести в протокол испытаний. Провести оценку внешнего вида ВОДД на наличие дефектов и снять ГХ. Значения всех параметров зафиксировать в протоколе испытаний. В камере тепла и холода установить Т=15±30 С и выдержать при этой температуре 2 ч. Провести контроль внешнего вида и контроль параметров, результаты контроля занести в протокол испытаний.

Используя результаты измерений, зафиксированные в протоколе испытаний, определить дополнительную погрешность от воздействия повышенной и пониженной температур и коэффициенты ФВ температуры, имеющей вид (2).

Датчик считается выдержавшим испытания, если при и после воздействии Т его параметры соответствуют требованиям технического задания.

Таким образом, правильно спланированные и грамотно проведенные экспериментальные исследования ВОДД не приведут к преждевременному отказу датчика.

ЛИТЕРАТУРА

1. Мурашкина Т. И., Пивкин А. Г. Волоконно-оптические датчики давления аттенюаторного типа для космической техники: Монография. - Пенза: Издательский центр ПГУ- 2005. - 150c.

2. Савочкина М.М., Мурашкина Т.И. Разработка дифференциального волоконно-оптического датчика разности давления для первого контура атомного реактора // Вестник Пензенского государственного университета. - 2015. - № 4 (12). - C. 140-145.

3. Мурашкина Т.И., Савочкина М.М. Волоконно-оптический датчик гидростатического давления для резервуаров с нефтепродуктами//Надежность и качество - 2016: Статьи Международного симпозиума: в 2 т. под ред. Н. К. Юркова. - Пенза: Изд-во Пенз. ГУ, 2016. - 2 том - 387 с.- С.349-351.

4. Мурашкина Т. И., Техника физического эксперимента и метрология: Учебное пособие для вузов. -Изд. Политехника СПб, 2013. - 147с.

5. Вывод функции преобразования аттенюаторных волоконно-оптических датчиков разности давле-ний/И.С. Рубцов, А.В. Гориш, Т.И. Мурашкина, М.М. Савочкина // Надежность и качество - 2015: Труды Международного симпозиума: в 2 т. под ред. Н. К. Юркова. — Пенза: Изд-во Пенз. ГУ, 2015. - 2 том -387 с.- С. 69-73

6. Измерительная установка для проверки механической преобразующей системы волоконно-оптического датчика давления/ М. М. Савочкина, Д.М. Голев, Д.В. Митин// Научно-информационный журнал «Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе» 2014. № 2 (10) Стр. 140-145.

УДК 681.586 326

Самошин1 А.В., Васильев2 В.А., Баранов1 А.С.

1АО «Научно-исследовательский институт физических измерений», Пенза, Россия

2ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ТЕМПЕРАТУР НА ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

В статье дана качественная оценка работы упругих элементов (УЭ) датчиков давления независимо от принципа преобразования в процессе воздействия нестационарных температур. Рассмотрены некоторые типы УЭ, нашедшие широкое применения в различных отраслях промышленности. Приведены типичные теплофизические свойства материалов, используемых при изготовлении большинства УЭ. Определено влияние основных геометрических размеров и теплофизических свойств упругого элемента на термоудар. Было определено, для работы в условиях термоударов малопригодными являются материалы, обладающие высокой теплоемкостью. Наилучшие показатели были зафиксированы у полупроводникового УЭ, помещенного в замкнутую полость с силопередающей жидкостью. Даны общие рекомендации по выбору типа УЭ, применяемым материалам и геометрическим (конструктивным) параметрам для улучшения точности измерения в процессе воздействия нестационарных температур

Ключевые слова:

датчик давления, упругий элемент, термоудар

В процесс эксплуатации датчиков давления происходит изменение температуры окружающей и измеряемой среды. В зависимости от скорости изменения температуры различают стационарный и нестационарный режим работы.

Стационарный температурный режим характеризуется малой скоростью изменения температуры с течением времени и с достаточной простотой компенсируется активным (с применением микропроцессорной техники) или пассивным (терморезисторы и др.) способами.

Наихудшим случаем условий работы датчика является нестационарное изменение температуры измеряемой среды, когда перепады температуры составляют десятки градусов за относительно малые временные промежутки (от долей секунд до нескольких десятков секунд). В результате такого воздействия образуется градиент температур и, как следствие, температурные деформации, величина которых меняется на различных участках. Компенсация температурных деформаций в данном режиме работы весьма затруднительна и в первую очередь будет определяться выбранными конструктивными решениями.

Основной путь передачи тепла от измеряемой среды - теплопроводность, которая определяется законом Фурье:

„ дТ

q = —К„ —,

4 п дп

где q - тепловой поток, Kn -проводности в направлении n, ператур.

коэффициент тепло-

дТ

— - градиент тем-

дп

Из (1) видно, что для нестационарного режима работы основными конструктивными решениями, определяющими влияние на выходные характеристики, будут являться физические свойства упругого элемента (УЭ) и присоединенных деталей, способных отводить и рассеивать тепловые потоки; габаритные показатели чувствительного элемента.

В настоящее время наиболее распространенными типами УЭ являются:

цилиндрические мембраны из керамики или металла (рисунок 1а);

кремниевые мембраны, находящиеся в замкнутом объеме, заполненном силопередающей жидкостью и отделенным от измеряемой среды разделительной мембраной (рисунок 1б);

мембранно-балочные элементы, соединяемые между собой штоком (рисунок 1в).

УЭ в виде цилиндрических мембран из керамики AI2O3 96% благодаря высокой химической стойкости и малой себестоимости изготовления нашли широкое применение в медицине и народном хозяйстве. Данный тип упругого элемента применяется в сенсорах серии DSK фирмы BD Sensor RUS [1]. Теплофизические свойства керамики AI2O3 96% приведены в таблице [2].

Достоинствами полупроводниковых УЭ, изготавливаемых, например, из кремния, можно считать малые габариты и высокую чувствительность. Теп-лофизические свойства кремния приведены в таблице [2].

Рисунок 1 - Типы упругих элементов: а) мембранный; б) полупроводниковый с разделительной

мембраной, в) мембранно-балочный

Для защиты от агрессивных сред полупроводниковые элементы помещаются в замкнутую полость, заполненную силопередающей жидкостью (например, полиметилсилоксановые жидкости) и отделенную от измеряемой среды защитной мембраной. В качестве материала защитной мембраны часто используют сплавы с особыми упругими свойствами, легированные хромом, никелем, вольфрамом и титаном. Теп-лофизические свойства силопередающих жидкостей и легированных сплавов приведены в таблице [3, 4]. Данный тип упругого элемента нашел широкое применение в датчиках фирм BD Sensor RUS, Endress & Houser и др. Основная область применения датчиков давления с данным типом УЭ - это системы Теплофизические свойства мат

автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами на объектах нефтегазового комплекса, тепло- и электростанциях.

Мембранно-балочные УЭ в настоящее время являются менее распространенными, но, тем не менее, используются в таких отраслях как ракетостроение. К достоинствам данных типов УЭ можно отнести относительную простоту изготовления и надежность. В качестве материала для изготовления УЭ используются легированные стали с особыми упругими свойствами (см. таблицу).

ериалов упругих элементов

Таблица

Материал Физическое свойство

Массовая плотность, кг/м3 Теплопроводность, Вт/

А12О3 96% 3700 - 3900 16, 67 - 29,3 8380

Кремний 2331 109 677

Легированные сплавы с особыми упругими свойствами 7700 - 8200 12,5 - 18 462

Кремнийорганические жидкости 910 - 980 0,167 1632

Стекло 2290 1,32 728

Для оценки влияния воздействия температур на упругие элементы рассмотренных типов использовался метод конечных элементов. Расчет проводился при условии, что упругий элемент находится при постоянной температуре 25 0С, при этом со стороны измеряемой среды происходит падение температуры до минус 50 0С со скоростью 10 °С/с. Расчётные модели с областями воздействующих ( Ьвозд) и образующихся ( Ьобр) температур изображены на рисунке 2.

В ходе расчёта были приняты несколько допущений:

не рассматривались принципы преобразования

УЭ;

рассматриваемые расчётные модели не претендуют на конструктивно-законченные УЭ, а лишь в некотором подобии соответствуют типичным конструкциям;

все модели являлись изолированными, при этом перенос тепла осуществлялся только за счёт теплопроводности;

теплофизические свойства согласно таблице. Из данных рисунка 3 видно, что для цилиндрической мембраны помимо теплофизических свойств большое влияние оказывает геометрический параметр R/h. С увеличением данного параметра влияние термоудара уменьшается, при этом время выравнивания температурных полей практически не меняется. Применение материалов с малой теплоемкостью позволяет значительно уменьшить время выравнивания температурных полей, а, следовательно, уменьшить негативное влияния термоудара.

На рисунке 4 изображены результаты расчёта полупроводникового УЭ.

Из рисунка 4 следует, что влияние термоудара на данный тип ЧЭ является минимальным. Наличие силопередающей жидкости с малой теплопроводностью позволяет сглаживать температурные поля.

Рисунок 2 - Расчётная модель и схема граничных условий для: а) мембранного УЭ; б) полупроводникового УЭ

На рисунке 3 изображены 'эпюры распределения температур' для мембранного УЭ. 14

12

и

¿Ю

г

£ 6

Я1г = 10

\ // "" Л1тС

т =28

)., Я Ъ 10

^^ 3 5НХТЮ Я й=28

^ 3( тхгю

о

10

15

30

35

40

45

20 25 Время, с

Рисунок 3 - Разница температур на рабочей поверхности цилиндрической мембраны при различных

свойствах материала

Мембранно-балочная конструкция (рисунок 5) показывает максимальную разницу температур, при этом время нагрева и охлаждения значительно превышает рассмотренные ранее типы УЭ. Высокая разница температур свойственна всем мембранно-ба-лочным упругим элементам. При данной компоновке одна часть балки находится максимально близко к жёсткому центру, который в свою очередь соединен с воспринимающей мембраной штоком, а, следовательно, и с измеряемой средой. В результате этого нагрев и охлаждение данной области идет с большей скоростью. Представленная на рисунке 5

конструкция является самой инертной в отношении запаса энергии, вследствие чего время выравнивания температурных полей значительно увеличивается. Варьирование геометрическими параметрами УЭ позволяет снижать влияние термоудара. В данной конструкции критичным является геометрический параметр Ъвр/Ь. С уменьшением данного параметра разница температур на поверхности балки уменьшается, при этом так же уменьшается время выравнивания температурных полей.

U

0.12

0.1

0.08

а. 0.06

0.04

8 0?02

-0.02

1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4

Вре

Рисунок 4 - Разница температур на поверхности кремниевой мембраны при термоударе На рисунке 5 изображены результаты расчёта мембранно-балочного УЭ.

Время, с

Рисунок 5 - Эпюры разницы температур на поверхности балки при термоударе

Проведенные расчёты показывают, что при конструировании датчиков давления следует большое внимание уделять выбору типа УЭ. Зачастую, требованиям по режиму работы в нормальных климатических условиях удовлетворяет большой типовой ряд УЭ. Ряд внешних дестабилизирующих факторов, среди которых выделяется нестационарное тепловое воздействие, значительно усложняет процесс выбора типа УЭ. Помимо типа УЭ важное значение на точность измерения оказывает правильный выбор материалов и соотношение геометрических размеров. Материалы с высоким значением теплоемкости и теплопроводности менее всего подходят для нестационарных тепловых воздействий. Высокое значение теплоемкости приводит к увеличению времени

выравнивания температурных полей. К данным материалам можно отнести керамику AI2O3.

Среди конструктивных решений можно выделить варьирование соотношением длин и толщин упругих элементов (в приведенном случае это R/h для мембраны и Ьбр/h для балки). При конструировании УЭ следует так же стремиться к минимизации занимаемого объёма, что приведет к улучшению габаритно массовых показателей и уменьшению времени выравнивания температурных полей.

Дальнейшие исследования влияния термоудара на выходные характеристики датчика требуют решения задач статики, по результатам которых можно сделать вывод о термопрочности конструкции [5, 6].

ЛИТЕРАТУРА

1. Технические характеристики DSK511K [Электронный ресурс] // Режим доступа: http://bdsensors.ruproducts/sensors.php#2 (дата обращения 20.03.2017).

2. Пятин, Ю.М. Материалы в приборостроении. Справочник / под ред. Ю.М. Пятина. - 2-е изд. // М.: Машиностроение, 1982. - 528 с.

3. ГОСТ 13032-77 Жидкости полиметилсилоксановые. Технические условия

4. Прецизионные сплавы. Справочник / под ред. Б.В. Молотилова // М.: Металлургия, 1974. - 448

с.

5. Семенцов С.Г. Исследование влияния температурных режимов на надёжность электронной аппаратуры тепловизионными методами / С.Г. Семенцев, В.Н. Гриднев, Н.А. Сергеева // Труды международного симпозиума надёжность и качество. Пенза: Изд-во ПГУ, 2016. С. 6-10.

6. Михайлов А.А. Адекватность косвенных измерений в задачах учета тепловой энергии / А.А. Михайлов // Труды международного симпозиума надёжность и качество. Пенза: Изд-во ПГУ, 2015. С. 2932.