Грузопоршневые манометры
Грузопоршневые манометры применяются в основном для градуировки и поверки средств измерений давления, так как они обладают высокой точностью воспроизведения давления и широким диапазоном измерений – от 0,098 до 980 МН/м2 (от 1 до 10000 кгс/см2). Принцип действия грузопоршневых манометров основан на уравновешивании измеряемого давления силой веса положенных на поршень грузов.
На рисунке 5 показана схема грузопоршневого манометра. Схема состоит из самого грузопоршневого манометра I и гидравлического пресса II. Грузопоршневой манометр представляет собой цилиндр 1, заполненный рабочей жидкостью. Во внутренней полости цилиндра находится поршень 2 с грузоприемной тарелкой 6. Гидропресс представляет собой поршень 11, имеющий манжетное уплотнение. Внутренняя полость пресса сообщается с грузопоршневым манометром I и поверяемым прибором 9 через каналы, которые перекрываются вентилями 7 и 10. Для заполнения гидравлической системы пресса рабочей жидкостью предусмотрен бачок 8 с запорным вентилем.
Грузоприемную тарелку 6 нагружают грузами 5 и уравновешивают давлением Р, создаваемым прессом II до тех пор пока поршень 2 не примет состояние равновесия. Состояние равновесия определяется по совпадению рисок 4 на поршне и ограничителя хода 3. При этом выполняется равенство:
где, G – вес грузов и поршня с тарелкой; Sпр – эффективная площадь поперечного сечения поршня 2. Эта площадь определяется экспериментально и является основным метрологическим параметром прибора. Поэтому каждой величине груза G соответствует строго определенное значение давления Р. При поверке производят определение соответствия показаний поверяемого прибора 9 и давления Р, создаваемого грузопоршневым манометром.
Для исключения сил нежидкостного трения поршня 2 о стенки цилиндра 1, поршню сообщают вращательное движение.
Рис. 5 . Схема образцового грузопоршневого манометра:
Электрические манометры
Принцип действия приборов основан на измерении электрических величин, связанных с измерением давления [2]. Чувствительные элементы электрических манометров производят непосредственное преобразование давления в какую-либо электрическую величину, функционально связанную с давлением. Различают емкостные датчики давления, пьезоэлектрические, тензорезисторные и др.
Емкостной манометр
Емкостные преобразователи используют метод изменения емкости конденсатора при изменении расстояния между обкладками. Известны керамические или кремниевые емкостные первичные преобразователи давления и преобразователи, выполненные с использованием упругой металлической мембраны. При изменении давления мембрана с электродом деформируется, что приводит к изменению расстояния между обкладками и, следовательно, к изменению емкости. В элементе из керамики или кремния, пространство между обкладками обычно заполнено маслом или другой органической жидкостью (рис. 6).
Рис. 6. Емкостной керамический преобразователь давления.
Пьезоэлектрический датчик давления
Принцип действия этих преобразователей основан на пьзоэлектрическом эффекте, который присущ некоторым диэлектрическим кристаллам: кварцу, турмалину, титанату бария и др. Такие кристаллы распиливают в определенном направлении, формируя пластины датчика. Если такую пластину подвергнуть сжатию, то на ее гранях появиться заряд q. Заряд q, появляющийся под воздействием механической силы F определяется соотношением:
q = kF,
где k – пьезоэлектрическая постоянная кристалла.
Из-за утечки заряда с кварцевых пластин эти преобразователи не используются для измерения статических давлений.
На рис. 7 показано устройство пьезоэлектрического датчика давления с двумя кварцевыми пластинами [4].
Рис. 7. Пьезоэлектрический датчик давления.
Измеряемое давление действует на мембрану 1, представляющую собой дно корпуса датчика. Кварцевые пластины 2 зажаты между металлическими прокладками. Средняя прокладка 3 соединена с выводом 4, проходящим через экранированную втулку 5 из изоляционного материала. Крышка 6 соединяется с корпусом и через шарик 7 передает давление пластинам, благодаря чему измеряемое давление распределяется по поверхности кварцевых пластин более равномерно. Кварцевые пластины обычно расположены таким образом, что в измерительную схему подается отрицательный потенциал. Положительный потенциал подается на корпус датчика. Использование двух (а иногда и больше) пластин повышает выходную ЭДС, поскольку выходные сигналы пластин складываются [4].