Технические измерения и приборы

изменения взаимной индуктивности в пропорциональный токовый сигнал. Предельная приведенная погрешность не превышает 1 %.

7.2.4.Манометры с компенсацией магнитных потоков

Впреобразователях давления, имеющих на выходе унифицированный токовый и пневматический сигнал, часто используется принцип статического уравновешивания. Схема трубчатого пружинного манометра с компенсацией магнитных потоков типа МПЭ представлена на рис. 7.6.

Свободный конец манометрической пружины 1 связан с постоянным магнитом 2, который перемещается между двумя магнитопроводами 3.

Врезультате взаимодействия поля постоянного магнита 2 с полями, создаваемыми обмотками возбуждения и обратной связи, на входе усилителя возникает небаланс измерительного моста, преобразуемый

ввыходной унифицированный сигнал.

231

дартным рядом с верхними пределами измерения от 4 до 60 МПа, на выходе приборы имеют токовый унифицированный сигнал 0 5 мА при сопротивлении нагрузки до 2,5 кОм, класс 1.

7.2.5. Преобразователи давления с силовой компенсацией

Эти преобразователи характеризуются увеличением числа элементов, охваченных обратной связью. Схема пружинного манометра с силовой компенсацией типа МП-Э представлена на рис. 7.7, а. Усилие от манометрической пружины 1, приложенное к Т-образному рычагу 2, компенсируется усилием от электросилового механизма обратной связи, включающего постоянный магнит 7 и подвижную катушку 8, обтекаемую выходным током 1. Начальная установка рычажной системы производится пружиной 3, изменение натяжения которой осуществляется через отверстие 9 в крышке прибора (рис. 7.7, б).

Рис. 7.7. Схема электрического манометра с силовой компенсацией типа МПЭ

232

При неравенстве моментов, развиваемых манометрической пружиной и электросиловым механизмом обратной связи, рычаги 2, 4 вместе с подвижной опорой 5 перемещаются, при этом отклоняется сердечник дифференциально-трансформаторного преобразователя 6, вызывая последовательно изменения сигнала на входе и выходе усилителя УП, а также силы, развиваемой электросиловым механизмом обратной связи. Для снижения жесткости подвижной системы все рычаги крепятся на ленточных опорах.

Преимуществом преобразователей с силовой компенсацией является то, что на коэффициент передачи не влияют характеристики чувствительного элемента и элементов, охваченных обратной связью: дифференциально-трансформаторного преобразователя, усилителя. Это обеспечило возможность создания на рассмотренном принципе действия образцовых преобразователей давления типа ИПД, имеющих класс точности 0,06 и верхний предел измерения 16 МПа. Недостатком приборов с силовой компенсацией является их низкая виброустойчивость.

Манометры с силовой компенсацией типа МП-Э выпускаются с верхним пределом измерения от 4 до 100 МПа, выходной сигнал – постоянный ток 0 5 (20) мА, суммарное сопротивление нагрузки не должно превышать 2,5 кОм, класс точности – 0,6; 1; 1,5.

С использованием одной и той же элементной базы выпускаются трубчато-пружинные манометры с унифицированным пневматическим выходным сигналом 0,02 0,1 МПа (0,2 1 кгс/см2). Манометры пневматические типа МП-П выпускаются на те же пределы измерения, что и МП-Э, класс точности приборов – 0,5; 1, давление питающего воздуха – 0,14 МПа, предельная длина линий связи от преобразователя до вторичного прибора составляет 300 м.

7.2.6. Сильфонные манометры и дифманометры

Чувствительные сильфонные элементы используются в механических показывающих и самопишущих приборах.

В приборах внутри сильфона может находиться пружина, определяющая диапазон измерения прибора.

233

Сочленение рабочей точки сильфона с показывающим или регистрирующим устройством выполняется так же, как и у пружинных манометров.

Сильфонные манометры имеют диапазон измерения более узкий, чем пружинные. Так, верхний предел измерения у приборов МС составляет 0,025÷0,4 МПа, класс точности манометров – 1; 1,5.

Вакуумметры и мановакуумметры имеют нижний предел измерения – 0,1 МПа, верхний: в первом случае 0, а во втором – избыточное давление 0,06 0,3 МПа; класс точности приборов – 1,6; 2,5.

Напоромеры НС и тягомеры ТмС выпускаются соответственно

сверхним и нижним пределом измерения от 0,25 до 25 кПа, а тягонапоромеры ТмНС с пределами измерения от ±0,12 до ±12 кПа, класс приборов – 2,5.

Дифманометры ДС имеют верхний предел измерения от 6,3 кПа до 0,16 МПа при статическом давлении 16 и 32 МПа, класс точно-

сти – 1; 1,5.

Сильфоны широко используются в качестве чувствительных элементов в преобразователях давления со статическим уравновешиванием: в приборах с компенсацией магнитных потоков, в электрических и пневматических преобразователях давления с силовой компенсацией.

Вэлектрических и пневматических преобразователях давления

ссиловой компенсацией сильфонные чувствительные элементы являются основными.

7.2.7. Мембранные манометры и дифманометры

Мембранные упругие чувствительные элементы, чаще в виде мембранных коробок, используются в приборах для измерения напора и разрежения.

Схема профильного напоромера типа НМП и его внешний вид представлены на рис. 7.8. Измеряемое давление через штуцер 1 на задней стенке прибора подается во внутреннюю полость мембранной коробки 2. С помощью системы рычагов и тяг 3, изображенных на схеме упрощенно, перемещение центра мембранной коробки пре-

234

образуется в пропорциональный угол поворота оси 4, на которую насажена показывающая стрелка 5, перемещающаяся вдоль профильной шкалы 6.

Рис. 7.8. Схема и внешний вид мембранного напоромера НМП

Для настройки начального положения показывающей стрелки используется корректор 7, находящийся на лицевой панели. Эти приборы выпускаются так же, как тягомеры и тягонапоромеры. Диапазон измерения приборов достигает 25 кПа в соответствии стандартному ряду при классе точности 1,5; 2,5.

Чувствительные мембранные элементы применяются в преобразователях давления как с прямым преобразованием измеряемой величины, так и со статическим уравновешиванием.

Саналогичным мембранным блоком выпускаются дифманометры

ис компенсацией магнитных потоков.

В дифманометрах с силовой компенсацией электрических и пневматических типа ДМ-Э, П; ДМ-ЭР в качестве чувствительных элементов используется вялая мембрана с жестким центром и упругой винтовой пружиной.

Дифманометры могут использоваться в качестве напоромеров, тягомеров и тягонапоромеров. Диапазон измерения приборов составляет 0,16 6,3 кПа при статическом давлении 0,25 и 1 МПа, класс точности – 1; 1,5.

235

В теплофизических испытаниях манометры с чувствительными мембранными элементами используются для измерения быстрых изменений давления и его пульсаций. При высокой жесткости мембраны и малом диаметре частоты ее собственных колебаний достигают 10 15 кГц и выше, а полоса пропускания манометров 2 4 кГц. Для преобразования перемещений мембраны в электрический сигнал используются индуктивные и емкостные преобразователи. Схема индукционного датчика давления ДД представлена на рис. 7.9.

обеспечивает деформационным манометрам наиболее широкий диапазон измеряемых давлений по сравнению с другими типами манометров. В связи с этим из пяти упомянутых выше групп общепромышленных приборов четыре относятся к деформационным.

236

7.3. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАНОМЕТРЫ

Принцип действия пьезоэлектрических манометров 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. 7.10.

Рис. 7.10. Схема пьезоэлектрического манометра

Измеряемое давление с помощью мембраны 1 преобразуется в усилие, сжимающее кварцевые пластины 2. Электрический заряд, возникающий на металлизированных плоскостях 3 под действием усилия F со стороны мембраны 1, определяется выражением

Q kп F kп Sp ,

где p – давление, действующее на металлическую мембрану 1 с эффективной площадью S; k – пьезоэлектрическая постоянная, Кл/Н.

Напряжение на входе усилителя, подключенного к выходу пьезопреобразователя, определяется общей емкостью измерительной цепи C,

u QC .

237

Кварц в отличие от других сегнетоэлектриков, обладающих пьезоэффектом, 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 на технологических объектах, характеризуемых высокочастотными изменениями давления.

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).

7.4. МАНОМЕТРЫ С ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ

Манометры с тензорезистивными преобразователями по быстродействию приближаются к пьезоэлектрическим манометрам.

Представляют собой мембраны, на которых размещены проволочные, фольговые или полупроводниковые резисторы, сопротивление которых меняется при деформации мембраны под действием давления.

Они проволочные тензорезисторы проще в изготовлении, но их коэффициент тензочувствительности, определяемый отношением относительных изменений сопротивления к деформации, на порядок меньше, чем у полупроводниковых.

В настоящее время получили широкое применение приборы давления серии «Сапфир» и «Метран» (промышленная группа «Метран»), «Мида» (промышленная группа «Микроэлектронные датчики»), в которых для преобразования силового воздействия давления в электрический сигнал используется сапфировая мембрана с напыленными кремниевыми резисторами (структура КНС). Рассмотрим данные датчики более подробно. Основные характеристики их приведены в табл. 7.3.

238

Т а б л и ц а 7 . 3

Датчики давления

239

О к о н ч а н и е т а б л . 7 . 3

240