14.3.1 Принцип преобразования разности давлений в деформацию упругого элемента
Принцип положен в основу манометров.
На рис. 14.3 манометр состоит из двух камер, разделенных мембра- ной 2 и соединенных с объектами, в которых измеряется давление, трубками 3 и 4. При равных давлениях (р1 = р2) в камерах мембрана находится в нейтральном положении, при измерении одного из давлений мембрана прогибается и изменяется емкость преобразователя между мембраной 2 и неподвижным изолированным электродом 1. Изменение емкости пропорционально измеряемой разности давлений р1 - р2. Для измерения прогиба мембраны могут быть использованы преобразователи перемещения: емкостные, индуктивные, фотоэлектрические и другие.
Рис. 14.3. Устройство манометра
Погрешности возникают от неидеальности упругого элемента.
Более высокую точность имеют датчики давления с пьезокварцевыми резонаторами, в которых механические напряжения в кристаллическом упругом элементе преобразуются в частотный выходной сигнал.
14.3.2 Принцип уравновешивания сил или давлений
Поршень 1 помещен в цилиндр 2, соединенный трубкой 3 с камерой, в которой измеряется давление (рис. 14.4). Снизу на поршень действует сила Fх = Sрх, где S – площадь поршня. Сверху на платформу устанавливается груз массой m, и на поршень действует сила F = mg. При равенстве сил поршень находится в равновесном положении, и по значению массы m определяется измеряемое давление рх как рх = m g/S. Вес самого поршня, если он не скомпенсирован, определяет нижнюю границу диапазона измеряемых давлений.
Рис. 14.4. Грузопоршневой манометр
Погрешности определяются нестабильностью g и погрешностью измерения уравновешивающей силы, а также мультипликативной и аддитивной погрешностью.
14.3.3 Измерение импульсных давлений
При измерении импульсных давлений применяются методы, основанные на зависимости физических свойств среды от давления, или методы, при которых гидростатическое давление передается некоторому телу и затем используется зависимость физических свойств тела от давления.
При использовании датчика, вносимого в среду, можно выделить следующие этапы преобразований:
а) преобразование поля давлений в среде в поле давлений на поверхности преобразователя;
б) преобразование поля давлений на поверхности в поле напряжений внутри преобразователя;
в) преобразование поля напряжений в деформацию преобразователя;
г) преобразование деформации в электрический сигнал и измерение электрического сигнала.
На рис. 14.5 датчик состоит из металлических стержней-волноводов 1 и 3 и пьезокерамического элемента 2. Деформационная волна, вызванная импульсом давления, распространяется по стержню 1, достигает границы пьезоэлемента, частично отражается от нее, частично проходит и вызывает деформацию пьезокерамики и появление электрического сигнала. Далее деформационная волна проходит в волновод 3, который должен быть достаточно длинным, чтобы на выходной сигнал не наложилась помеха, вызванная деформационной волной, отраженной от торца волновода 3.
Рис. 14.5. Схема волноводного преобразователя
Преимуществом волноводных датчиков является задержка выходного сигнала на время пробега по волноводу 1 и, следовательно, возможность разделения во времени помехи, вызванной источником импульсного давления и выходного сигнала.