5. Электрические и прочие манометры

Пьезоэлектрические манометры.

Принцип действия манометров этого типа основан на пьезоэлектрическом эффекте, сущность которого состоит в возникновении электрических зарядов на поверхности сжатой кварцевой пластины, которая вырезается перпендикулярно электрической оси кристаллов кварца. Схема пьезоэлектрического манометра представлена на рис. 22. Измеряемое давление с помощью мембраны 1 преобразуется в усилие, сжинающее кварцевые пластины 2. Электрический заряд, возникающий на металлизированных плоскостях 3 под действием усилия F со стороны мембраны 1, определяется выражением

где —давление, действующее на металлическую мембрану1 с эффективной площадью ;k — пьезоэлектрическая постоянная, Кл/Н. Напряжение на входе усилителя, подключенного к выходу пьезопреобразователя, определяется общей емкостью измерительной цепи С:

Кварц в отличие от других сегнетолектриков, обладающих пьезоэффекгам, является механически прочным и имеет высокую жесткость, что исключает влияние упругой характеристики мембраны 1 на коэффициент передачи пьезоэлектрического преобразователя. Частота собственных колебаний преобразователя достигает десятков килогерц, вследствие чего они широко применяются при испытаниях двигателей и на других технологических объектах, характеризуемых высокочастотными изменениями давления.

Пьезоэлектрическая постоянная кварца, составляющая около 2 Кл/Н, отличается стабильностью и слабой зависимостью от температуры, что позволяет использовать пьезопреобразователи для измерения давления высокотемпературных сред. Из-за утечки заряда пьезоэлектрические преобразователи не используются для измерения статических давлений. С целью повышения чувствительности несколько кварцевых пластин включаются параллельно. Верхний предел измерения давления у этих приборов достигает 100 МПа (1000 кгс/см²).

Рис. 22. Схема пьезоэлектрического манометра

Манометры с тензопреобразователями. Манометры с тензорезистивными преобразователями по быстродействию приближаются к пьезоэлектрическим манометрам. Первые представляют собой мембраны, на которых размещены проволочные, фольговые или полупроводниковые резисторы, сопротивление которых меняется при деформации мембраны под действием давления. Сведения о тензопреобразователях были приведены выше, в § 10.6. Проволочные тензорезисторы проще в изготовлении, но их коэффициент тензочувствительности, определяемый отношением относительных изменений сопротивления к деформации, на порядок меньше, чем у полупроводниковых. Отечественной промышленностью выпускаются манометры с полупроводниковыми тензопреобразователями типа «Кристалл».

В настоящее время в СССР начат выпуск приборов давления «Сапфир-22», в которых для преобразования силового воздействия давления в электрический сигнал используется сапфировая мембрана с напыленными кремниевыми резисторами. Схема преобразователя «Сапфир-22» типа ДИ, предназначенного для измерения избыточных давлений с верхним пределом измерения 0,4 МПа и выше, представлена на рис. 23. Чувствительным элементом манометра является двухслойная мембрана . Измеряемое давление действует на металлическую мембрану, к которой сверху припаяна сапфировая мембрана с тензорезисторами. Элементы измерительной схемы и усилитель находятся в блоке2.

Рис. 23. Схема измерительного преобразователя давления ДИ

Рис. 24. Упрощенная схема размещения полупроводниковых тензорезисторов на поверхности мембраны

Принципиальная схема размещения резисторов на поверхности сапфировой мембраны представлена на рис. 24, а. При деформации мембраны в соответствии с эпюрой, приведенной на рис. 24, б, касательные напряжения ε_τ имеют постоянный знак, тогда как радиальные его меняют. В связи с этим у радиально размещенных тензорезисторов вблизи края мембраны с ростом давления сопротивление снижается, а у касательно размещенных увеличивается. Выбирая точки размещения тензорезисторов, обеспечивают увеличение чувствительности измерительной схемы и возможность введения температурной компенсации.

Преобразователи «Сапфир-22» имеют на выходе токовый сигнал 0—5 мД (0—20, 4—20 мА) при сопротивлении нагрузки до 2,5 кОм (1 кОм), предельная погрешность приборов 0,25; 0,5%, напряжение питания преобразователей 36 В. Приборы выпускают в нескольких модификациях, предназначенных для измерения избыточного давления (ДИ), вакуума (ДВ), избыточного давления и вакуума (ДИВ), абсолютного давления (ДА), разности давлений (ДД), гидростатического давления (ДГ). Пределы измерения преобразователей в соответствии со стандартными рядами находятся в границах областей, указанных на рис. 19.

Рис. 25. Схема измерительного преобразователя разности давлений ДД

В преобразователях с диапазоном измерения менее 0,4 МПа (рис. 25) используются в качестве чувствительных элементов блоки из двух мембран 1, 2, жестко соединенных между собой и находящихся под воздействием атмосферного и измеряемого давлений (разрежения), либо разности давлений. Жесткость мембранного блока определяется жесткостью мембранно - рычажного тензопреобразователя.

Смещение центров мембран приводит к изгибу рычага 3 и сапфировой мембраны с тензорезисторами 4. Усилитель и элементы измерительной схемы находятся в блоке 5.

Основным достоинством преобразователей «Сапфир-22» является использование небольших деформаций чувствительных элементов, что повышает их надежность и стабильность характеристик, а также обеспечивает виброустойчивость преобразователей. При осуществлении тщательной температурной компенсации предельная погрешность приборов может быть снижена до 0,1 %.

Для измерения высоких давлений в диапазоне 250—1600 МПа используются манометры сопротивления манганиновые, в которых чувствительным элементом является катушка из манганиновой проволоки. Сопротивление последней меняется под воздействием измеряемого давления, коэффициент изменения сопротивления составляет 2,4-1/Па. Предельная погрешность манометров не превышает 1 %.

Ионизационные манометры. Для измерения давления в диапазоне —Па (—мм. рт. ст) используются ионизационные манометры. Схема прибора представлена на рис. 26. Основным элементом манометра является стеклянная манометрическая лампа, содержащая катод1, который находится внутри анодной сетки 2, окруженной цилиндрическим ионным коллектором 3. Эжектируемые раскаленным катодом электроны ускоряются положительным напряжением, приложенным между анодом и катодом. При движении электроны ионизируют молекулы разреженного газа. Положительные ионы попадают на отрицательно заряженный коллектор 3. При постоянстве анодного напряжения и электронной эмиссии величина коллекторного тока зависит от измеряемого давления.

Рис. 26. Схема ионизационного манометра

Нижний предел измерения ионизационных манометров ограничен фоновым током, вызванным мягким рентгеновским излучением анода и фотоэлектронной эмиссией коллектора. Следует отметить, что образцовые приборы, используемые для измерения малых абсолютных давлений, принято называть манометрами, тогда как промышленные приборы называют вакуумметрами. Последнее название, хотя оно и является общепринятым, нельзя считать правильным.

В магнитных электроразрядных манометрах с холодным катодом для снижения нижнего предела измерения до траектория движения электронов в лампе формируется за счет использования внешнего магнитного поля, при этом удлиняется пробег электронов, растет число их соударений с молекулами газа. К группе магнитных электроразрядных манометров относятся вакуумметры ВМБ-2,3 с манометрическими преобразователями ММ-8, ММ-ЗМ4 и ВИМ с манометрическим преобразователемMM- 14M.

Тепловые манометры. Для измерения давления в диапазоне 1—Па (—мм рт. ст.) используются тепловые манометры, которые, как и ионизационные, включают в себя манометрический преобразователь и измерительный блок. Принципиальная измерительная схема теплового манометра приведена на рис. 27. Она представляет собой неуравновешенный мост, на который напряжение подается от стабилизированного источника питанияИП. Три плеча моста содержат постоянные резисторы —, а четвертое представляет собой нагретую до 200 °С вольфрамовую нить, находящуюся в камере, куда подается измеряемое давление. При указанных давлениях вследствие снижения числа молекул дл на их свободного пробега становится соизмеримой с расстояниями между теплопередающими поверхностями измерительных камер прибора, в связи с чем теплопроводность при давленияхПа (10 мм рт ст.) и ниже линейно уменьшается по мере снижения давления.

Рис. 27. Схема теплового манометра

Теплоотдача от вольфрамовой нити зависит как от числа молекул, участвующих в переносе теплоты, так и от температуры стенок камеры. Для снижения влияния на показания прибора колебаний температуры окружающей среды, определяющей температуру стенок камеры, прилежащее к плечо моста помещается в вакуумированную камеру, аналогичную измерительной.

Нижний предел применения манометров ограничивается возрастанием по мере снижения теплопроводности роли лучистого теплообмена, который становится определяющим при давлениях ниже Па (мм.рт.ст.).

Для измерения температуры нити могут использоваться термопары, в этом случае тепловые манометры называют термопарными. Схема манометрического преобразователя (лампы) вакуумметра типа ВТ-2 представлена на рис. 28, Внутри стеклянного баллона 1, вакуумно плотно подсоединяемого верхней частью к объекту измерения давления, находится платиновый нагреватель 2, температура которого измеряется хромель-копелевой термопарой 3.

Рис. 28. Термопарный манометрический преобразователь

Тепловые манометры могут работать в режиме поддержания постоянного тока через нагреватель, тогда измеряемое давление пропорционально разности между температурами нагревателя и стенок лампы. При работе в режиме поддержания постоянной разности температур за счет изменения тока величина последнего характеризует измеряемое давление.