3.5. Электрические,теплопроводные и ионизационные манометры.

Электрические манометры основаны на прямом или косвенном преобразовании давления в электрический сигнал.

Рис. 3.5.1

В манометрах сопротивления (рис. 3.5.1) используют свойство металла изменять свое удельное сопротивление под действием давления. В качестве материала датчика может быть использован любой металл, однако, как правило, применяют манганин, хотя этот материал и обладает незначительным пьезоэффектом. Изменение сопротивления определяется по формуле:

,

где – коэффициент, 1/Па;

– сопротивление, Ом;

– давление, Па.

Учитывая, что составляет всего лишь 0,200,25 1/Па, измерения проводят для высоких и сверхвысоких давлений до 3 ГПа. Конструктивно первичный преобразователь представляет собой массивный корпус, в полость которого подводится давление. В полости находится чувствительный элемент – катушка, с бифилярно намотанной изолированной манганиновой проволокой диаметром 0,05 мм. Сопротивление катушки – до 200 Ом. Один конец ее припаивается к изолированному от корпуса стержню, а другой – к корпусу датчика.

В качестве вторичного прибора может быть использован любой измеритель сопротивления (уравновешенный электронный мост).

В качестве материала чувствительного элемента датчика могут быть использованы и полупроводниковые элементы, пьезоэффект которых в тысячи раз больше манганина. Однако они имеют и ряд существенных недостатков. Так, зависимость их сопротивления от давления нелинейна, они обладают большим гистерезисом. На показания существенное влияние оказывает температура. Предел их применения до 10 МПа.

Другим электрическим методом измерения давления является тензометрический. Он основан на измерении изменения сопротивления манганиновой проволоки (0,020,05 мм), наклеенной на изоляционное основание и располагаемой на поверхности деформируемого тела.

Сопротивление тензодатчиков 100-300 Ом. Они обладают практически линейной характеристикой. Их погрешность не превышает 2 %. Измерение осуществляется с помощью мостовой схемы.

Емкостные манометры (рис. 3.5.2) основаны на изменении электрической емкости конденсатора при изменении расстояния между обкладками.

Емкость плоского конденсатора рссчитывается по формуле:

,

где – диэлектрическая проницаемость;

– площадь пластины, м²; Рис. 3.5.2

– расстояние, м.

Конструктивно первичный преобразователь представляет собой корпус с ниппелем для присоединения к объекту. В нижней части располагается тонкая упругая мембрана 2, воспринимающая давление. Другим электродом является стержень 3 с диском. Под действием давления мембрана прогибается, увеличивая емкость конденсатора.

К недостаткам этого датчика можно отнести влияние температуры и паразитных емкостей. Погрешность измерений не превышает 2 % от предела шкалы прибора. Диапазон измерений от 10^-2 до 10 Па.

Рис. 3.5.1

На емкостном методе измерений основан также датчик дифференциального давления (рис. 3.5.3). Погрешность измерений 0,2 %. Выходной сигнал 420 мА.

Способность некоторых материалов создавать электрические заряды под действием давления носит название пьезоэффекта. Таким эффектом обладают кристаллы кварца, сегнетовой соли, титаната бария. Их характерной особенностью является безынерционность измерений.

В качестве материала для изготовления датчиков, основанных на этом принципе, применяют кварц, сохраняющий указанное свойство до температуры 500 °С. У кристалла кварца различают следующие оси:

*оптическую, проходящую через вершины кристалла;

*электрическую, проходящую перпендикулярно оптической и через ребра;

*механическую, проходящую нормально к граням кристалла.

Если из кристалла кварца вырезать прямоугольную пластину с гранями, параллельными осям, (срез Кюри) и подвергнуть ее сжатию вдоль электрической оси, то на гранях, перпендикулярных этой оси, появятся электростатические заряды, равные по значению и противоположные по знаку (рис. 3.5.4).

Рис. 3.5.4

Заряд (продольный пьезоэффект),

где ;

– сила, действующая вдоль электической оси;

– пьезоэлектрическая постоянная (модуль), Кл/Н, (для кварца =2,110^-12 Кл/Н).

При действии силы вдоль механической оси заряды также появляются на грани , при этом знаки зарядов обратны тем, которые появляются при действии силы того же знака, что и . Таким образом, эффект растяжения кварца в направлении одной оси равнозначен сжатию другой.

(поперечный пьезоэффект),

где .

Действие силы в направлении оптической оси не вызывает появления заряда.

Конструктивно (рис. 3.5.5) датчик состоит из корпуса 1, ввернутого в гайку 2 с ниппелем. В нижней части датчика располагается мембрана 3, на которую помещается шайба 4 с цилиндрической выточкой для кварцевой пластины 5, которая отделена от верхней кварцевой пластины плиткой 6. На верхней шайбе располагается стальной шарик 7. Пакет из кварцевых пластин прижимается верхней гайкой 8.

Кварцевые пластины располагаются таким образом, чтобы грани с отрицательным зарядом были обращены к средней плитке 6. К ней припаивается проводник, через который потенциал выводится из полости датчика.

Рис. 3.5.5

В качестве вторичных приборов используются электростатические вольтметры.

Погрешность измерений этим методом составляет 2 %.

Для измерения малых давлений (до 1000 Па) используют теплопроводные манометры, принцип действия которых основан на зависимости теплопроводности газов от давления.

Теплопроводный манометр (рис. 3.5.6) состоит из нагревателя и измерителя, помещенных в сосуд, в котором контролируется давление. В два плеча включены два нагреваемых сопротивления и . и – постоянные сопротивления. помещается в контролируемую среду, – температурный компенсатор, запаянный в баллон. При изменении давления меняется его теплопроводность, что, в свою очередь, изменяет сопротивление . Выходной сигнал, пропорциональный разбалансу моста, является мерой контролируемого давления.

Другой вид теплопроводного манометра – термопарный манометр. В нем измеряется температура проводника.

Рис. 3.5.6

Рис. 3.5.7

Элемент 1 нагревается от источника напряжения до температуры 200 °С .С помощью термопары 2 измеряется температура, которая является мерой контролируемого давления.

Принцип действия ионизационных манометров (рис. 3.5.7) основан на зависимости силы ионного тока в газе от давления.

В зависимости от давления газа изменяется коллекторный ток:

,

где – коэффицент, 1/Па;

– анодный ток, А.

Такими приборами можно измерять очень низкие давления 0,1– 1 нПа.

В ряде случаев для измерения малых давлений применяются радиоизотопные манометры, использующие -излучение. В качестве излучателей могут служить изотопы радия, полония и др.

Подводя итоги рассмотрения различного типа манометров, следует отметить, что их применение в пищевой, мясной и молочной промышленности имеет ряд специфических особенностей. Как правило, для измерения давления различных сред могут быть использованы приборы общепромышленного назначения.

Необходимо указать на ряд особенностей применения некоторых манометров. Так, нужно с большой осторожностью подходить к использованию приборов с ртутным заполнением, трансформаторным маслом и пр.

Как правило, измерители давления применяются совместно со специальными разделительными устройствами, установленными между контролируемой средой и чувствительными элементами. Особенно это касается вязких сред (фарш, творог).