4.4. Электрические I манометры

Электрические маномет- ры основаны на физических Г явлениях, в которых прояв- ляется зависимость свойств [Шибо электрических, либо легко преобразуемых в ■.электрические от воздейст- вующего давления. Исполь- зуя эти явления, создают первичные измерительные преобразователи давления в Рис. 4-5

электрический сигнал. К

.ним относятся: омические, пьезоэлектрические, магнитоупру-гие, тепловые, ионизационные, радиоизотопные манометры е пре­образованием давления в электрический сигнал.

Омические манометры (манометры сопротивления, Цили резистивные) применяются для измерения высоких давле­ний. В качестве первичного преобразователя в этих приборах часто используется манганиновый проводник. Преимущество манганина перед другими материалами для манометров за­ключается в его ничтожно малом температурном коэффициенте [Электрического сопротивления, что обеспечивает независимость 'Показаний манометра от температуры измеряемой и окружаю­щей среды. Кроме того, при давлениях в диапазоне от 100 до ь МПа манганиновые преобразователи обладают постоянной |*^Тносительной чувствительностью изменения сопротивления под действием давления. В этом диапазоне давлений, как правило, ^и применяются манганиновые омические манометры.

Один из вариантов конструкции манганинового преобразо­вателя манометра представлен на рис. 4-6. Измеряемое давле­ние подается в камеру, в которой расположена катушка / из манганиновой проволоки, намотанной бифилярно. Одни конец проволоки припаян к медному стержню 4, другой — к гайке 3, изолированной от стержня эбонитовыми втулками 2 и 5. Для герметизации полости с измеряемым давлением предусмотрено уплотнение 7, поджимаемое гайкой 6. Корпус манометра 8 снаб­жен ниппелем 9 для присоединения манометра к объекту изме­рения. Основная погрешность преобразования давления в актив­ное сопротивление манганиновой проволоки не превышает ± 1 % от предела измерения давления.

В пьезоэлектрических манометрах использу­ется явление пьезоэффекта — свойство некоторых кристалличе­ских веществ (кварца, титана, цирконата бария, сегнетовой соли, турмалина и др.) создавать электрические заряды под действием механической нагрузки. Явления пьезоэффекта до­статочно полно освещены в литературе [46].

Пьезоэлектрические преобразователи представляют собой ге­нераторные преобразователи: их входной величиной является сила, а выходной — количество электричества.

Заряд, возникающий на гранях пьезоэлемента под действием внешних сил, сохраняется лишь при отсутствии утечки, т. е. при бесконечно большом входном сопротивлении измерительно» цепи. Так как это условие практически невыполнимо, для стати­ческих измерений сил и давлений пьезоэлектрические преобра­зователи не используют.

При действии переменных сил количество электричества вос­полняется и становится возможным потребление некоторого тока измерительной цепью. Поэтому эти преобразователи при­меняются исключительно для измерения переменных значений давления в частотном диапазоне от 20 до 7000 Гц.

Преимущественное применение в пьезоэлектрических мано­метрах получили кварцевые преобразователи. Они отличаются большой механической прочностью, удовлетворительными пье­зоэлектрическими и высокими изоляционными свойствами, а также стабильностью пьезоэлектрической характеристики при изменении температуры в широких пределах и во времени.

Один из вариантов конструктивного исполнения преобразо­вателя пьезоэлектрического манометра на основе кристалла кварца показан на рис. 4-7. Измеряемое давление в полости, ограниченной корпусом / и гайкой 2, действует на плоскую мембрану 3, деформация которой через металлическую шайбу 4 передается нижней кварцевой пластине 5. Другая кварцевая пластина расположена сверху плитки 6 и поджимается к пос­ледней через металлическую шайбу 7 и шарик 8 гайкой 9, представляющей собой крышку. К плитке 6 припаян проводник, выводимый через втулку 10. Кварцевые пластины расположены таким образом, чтобы грани с положительным зарядом имели контакт с шайбами 4 и 7, а с отрицательным зарядом — с плит­кой 6. Измерительным прибором может служить, например, ламповый вольтметр постоянного тока в сочетании с электрон­ным осциллографом [46]. Основная приведенная погрешность измерения пьезоэлектрическими манометрами составляет около ±2 %.

Главными составляющими погрешности пьезоэлектрических преобразователей являются: погрешность вследствие непра­вильной (по отношению к градуировочной) установки пластин пьезоэлемента; погрешность, вызванная изменением параметров измерительной цепи (в первую очередь входной емкости); по­грешность, связанная с чувствительностью пьезоэлемента к си­лам, действующим поперек измеряемой; температурная погреш­ность от изменения под действием температуры пьезоэлектриче­ской постоянной; частотная погрешность, появляющаяся за счет Дифференцирующих свойств пьезоэлектрических преобразовате­лей [46].

В связи с тем, что выходное (внутреннее) сопротивление пьезоэлектрического преобразователя велико, а развиваемая им Мощность чрезвычайно мала, выходное напряжение преобразо-^вателя требует усиления. Поэтому в качестве вторичного изме­рительного преобразователя (измерительной цепи) используют Усилители с общим входным сопротивлением (10⁸—10^м Ом).

Магнитоупругие манометры построены на основе ^магнитоупругих преобразователей давления в электрический сигнал.

Магнитоупругий эффект возникает при изменении магнитной проницаемости некоторых материалов под влиянием механиче­ских напряжений или деформаций. Если из такого материала выполнить сердечник и на нем разместить обмотку (или две трансформаторные обмотки), то индуктивное электрическое со­противление обмотки (или вторичной обмотки) будет меняться при изменении магнитной проницаемости сердечника, т. е. при изменении внешней механической нагрузки. Таким образом, магнитоупругие преобразователи аналогичны по своим свой­ствам индуктивным и взаимоиндуктивным преобразователям.

Основная приведенная погрешность магнитоупругих преоб­разователей составляет 3—5 %.

К недостаткам магнитоупругих преобразователей следует отнести их сравнительно невысокую точность, которая объясня­ется наличием магнитного гистерезиса, что приводит к несовпа­дению показаний при увеличении и уменьшении давлений, а также влиянием колебаний температуры окружающей среды и изменения напряжения питания на магнитные свойства пре­образователя, нестабильностью магнитных свойств материалов сердечников во времени.

Достоинствами этих датчиков являются простота устройства, отсутствие подвижных частей, высокая надежность, низкая стоимость, удобство обслуживания и эксплуатации. Благодаря этим преимуществам магнитоупругие преобразователи все более широко применяются для технических измерений при определе­нии силы, массы, давления и величин, связанных с ними, осо­бенно в труднодоступных местах, при тяжелых условиях экс­плуатации, при ограничениях на обслуживание.

Схема устройства магнитоупругого датчика давления и кри­вая измерения относительного значения магнитной проницаемо­сти от напряжения материала датчика приведены на рис. 4-8,6, а. Под воздействием измеряемого давления Р растягивается внутренняя тонкостенная стальная трубка /. Она передает растягивающее напряжение на наружную трубку из инвара 2. Относительное значение ее магнитной проницаемости ДрУм, под действием механической напряженности а изменяется в соответ­ствии с зависимостью показанной на рис. 4-8, а. При этом ка­тушка 3 приобретает новое значение индуктивности. Отклонение последней от первоначального значения преобразуется с по­мощью мостовой неравновесной цепи в напряжение разбаланса. Желательно использовать дифференциальное включение изме­рительного и уравновешивающего (нерабочего) преобразовате­лей, зависимости которых от влияющих неинформативных па­раметров одинаковы, благодаря чему повышается точность определения Р. На выходе напряжение измеряется магнито­электрическим прибором, включенным после выпрямителя.

Тепловые вакуумметры основаны на изменении теп­лопроводности газа от степени его разреженности. При низких

влениях (от 0,0133 до 1333 Па), когда длина свободного про­бега соизмерима с геометрическими размерами измерительной системы преобразователя, появляется зависимость теплопровод­ности от давления.

, Такой преобразователь представляет камеру, содержащую в себе нагреватель и измеритель температуры — контактную или бесконтактную термопару или терморезистор. В манометрах с терморезисторами измеряется электрическое сопротивление проводника. В приборах с термопарами измеряется ТЭДС.

Ионизационные вакуумметры состоят из чувстви­тельных элементов. Чувствительный элемент представляет со-

6МПа \Р

а В

Рис. 4-8

й баллон, соединенный с измеряемой средой и содержащий ; катод, сетку и анод-коллектор. В зависимости от давления газа электроны при движении от катода ионизируют большее или меньшее количество молекул. Между электродами возникает Шок пропорциональный измеряемому давлению. ', - Построенный на этом принципе ионизационный вакуумметр типа ВИ-12 рассчитан на давление от 0,0133 до 1,33 Па. Основ­ная погрешность составляет около у=±50 %. РРадиоизотопные вакуумметры основаны на ионизации газа излучениями радиоактивных веществ. Наиболь­шую интенсивность ионизации дает а-излучение, для получения которого служат изотопы радия, тория, полония и др. Устрой­ство манометрического преобразователя радиоизотопного ва­куумметра состоит из камеры, которая соединена с исследуе­мым пространством, двух электродов, питающихся высоким на­пряжением, и источника а-излучения, расположенного на атоде. Величина ионного тока между электродами при прочих постоянных конструктивных и схемных параметрах преобразо­вателя зависит от измеряемого разрежения, если камеру вы­брать таким образом, чтобы она была значительно меньше длины пробега а-частиц.