Измерение давления внутри трубы с помощью тензорезисторов

Тензорезисторы, наклеенные на внешнюю поверхность трубы, позволяют измерить внутреннее давление косвенно — через регистрацию деформации стенок. При повышении давления труба растягивается:

• В кольцевом (тангенциальном) направлении – основная деформация, прямо связанная с давлением.
• В осевом направлении – вторичная деформация (значима, если труба закрыта или жёстко закреплена).

Метод подходит для тонкостенных труб (где толщина стенки t мала по сравнению с диаметром D). Для толстостенных труб расчёты усложняются.

• Для тонкостенной трубы (без учёта осевой деформации)

Если труба длинная и не закреплена, осевой деформацией можно пренебречь:

• С учётом осевой деформации (если труба закрыта)

Если давление создаёт осевую нагрузку, используется уточнённая формула:

Обозначения:

P – внутреннее давление (Па, МПа),

E – модуль Юнга материала трубы (например, для стали E ≈ 200 ГПа),

t – толщина стенки трубы (м),

D – внутренний диаметр трубы (м),

εθ – кольцевая деформация (измеряется тензорезистором),

εz – осевая деформация (если учитывается),

ν – коэффициент Пуассона (~0,3 для металлов).

1. Температурные эффекты – тензорезисторы чувствительны к температуре, требуется термокомпенсация.

2. Внешние нагрузки – изгиб, кручение или вибрации искажают показания.

3. Толщина стенки – для толстостенных труб (t/D > 0,1) нужны более сложные расчёты.

4. Калибровка – связь между деформацией и давлением должна быть проверена экспериментально.

Для повышения точности рекомендуется:

• Использовать тензометрический мост (Уитстона) с двумя тензорезисторами вдоль и двумя поперёк трубы.

• Наклеивать датчики в зоне, где нет сварных швов или механических напряжений.

• Применять термокомпенсирующие схемы или цифровую обработку сигнала.

Метод позволяет измерить давление внутри трубы без встраивания датчиков, но требует:

• правильного расположения тензорезисторов,
• учёта температурных и механических помех,
• калибровки под конкретные условия.

В промышленности чаще используют встроенные датчики давления, но тензометрический метод полезен для диагностики и мониторинга в условиях, где прямой монтаж невозможен.