Манометры с трубчатой пружиной

Трубчатые пружины представляют собой кругообразно согнутые трубки с овальным поперечным сечением (рис.4.4). Давление измеряемой среды воздействует на внутреннюю сторону этой трубки, в результате чего овальное поперечное сечение принимает почти круглую форму. В результате искривления пружинной трубки возникают напряжения в кольцах трубки, кото­рые разгибают пружину. Незажатый конец пружины выполняет движение, пропорциональное величине давления. Движение передаётся посредством стрелочного механизма на шкалу. Для измерений давления до 40 или 60 бар применяются, как правило, согнутые с углом витка около 2700, кругообразные пружины. Для измерений давления с более высокими значениями используются пружины с несколькими лежащими друг над другом витками и одинаковым витковым диаметром (винтовая пружина) или со спиралеобразными витками, лежащими в одной плоскости (плоская спиральная пружина). Трубчатые пружины обладают сравнительно низким перестановочным усилием. Поэтому их защита от перегрузки может проводиться только с ограничениями. Показания лежат в диапазоне от 0...0, 6 до 0... 4000 бар при точности показаний (классе) от 0, 1 до 4, 0%.

В производственных процессах измерение давлений в подав­ляющем большинстве случаев обеспечивается деформационными манометрами и вакуумметрами. Электрические приборы используются главным образом для специальных цепей, например, при измерениях сверхвысоких давлений, глубокого вакуума или давлений, пульсирующих с высокой частотой.

В вакуумной металлургии для измерения малых давлений деформационные приборы охватывают нижний предел измеряемых давлений порядка 10—0, 1 Па. Для измерения вакуума в области 1—10^-4 Па находят широкое применение тепловые вакуумметры, а для измерения вакуума в пределах до 10^-6 Па применяются ионизационные вакуумметры.

Переменные давления в пределах 100 кПа, например, в цилин­драх двигателей внутреннего сгорания, где давления пульсируют с высокой частотой, измеряют пьезоэлектрическими манометрами.

Развитие полупроводниковой техники и микроэлектроники открыло новые возможности, для создания более совершенных электрических манометров с использованием полупроводниковых тензорезисторов, позволяющих измерять давление в широких диапазонах. Действие приборов этой группы основано на свойстве некоторых материалов изменять свои электрические параметры под действием давления.

Тепловые вакуумметры. Принцип действия тепловых вакуум­метров основан на зависимости теплопроводности газовой среды от степени ее разрежения. На рис. 4.5 схематично показаны две конструкции тепловых вакуумметров: сопротивления (рис. 4.5, а) и термопарный (рис. 4.5, б).

В обеих конструкциях чувствительным элементом является нагретая путем пропускания электрического тока платиновая нить 1, расположенная в вакуумном баллоне 2. При увеличении разрежения среды её теплопроводность будет уменьшаться, следовательно, нагретая платиновая нить будет хуже отдавать тепло стенкам баллона, в результате чего ее температура будет возрастать. Измеряя температуру нити, можно судить о величине вакуума. Чтобы исключить теплопередачу от нити к стенкам баллона за счет лучеиспускания, максимальная температура нити должна быть примерно 100 º С. Эти два типа вакуумметра различаются только способом измерения температуры, нити. В вакуумметре сопротивления температуру измеряют термометром сопротивления, которым служит сама нить, а в термопарном вакуумметре — термопарой 4. Датчик к измеряемой схеме подключается через электрические вводы 3, a к объекту измерения — через соединительную трубку 5.

В вакуумметрах с термосопротивлением измерение температуры нити и ее нагрев путем пропускания электрического тока осуществляются при помощи мостовой схемы, в одно из плеч которой включена нить вакуумметра. Температура нити измеряется милливольтметром, установлен­ным в диагональ моста. Во второй диагонали находится источник питания моста постоянным током.

В термопарных вакууммет­рах температуру нити накала измеряют хромель-копелевой термопарой, которая соединена с нитью при помощи крючка из тонкой проволоки.

Пьезоэлектрические манометры. Пульсирующие с высокой частотой давления измеряют с помощью манометров, построенных на использовании пьезоэлектрических эффектов. Под пьезоэлектрическим эффектом понимают появление электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллических диэлектриков при их деформации. Чувствительным элементом в пьезоэлектрических манометрах, преоб­разующим механические напряжения в колебания электрического тока, являются пластины из кварца, титаната бария или керамики типа ЦТС (цирконат-титанат свинца).

Датчик пьезоэлектрического манометра представлен на рис. 4.6. Измеряемое, давление через мембрану 1 действует на два пьезоэлемента 2 и 3 из пьезокерамики ЦТС, расположенных так, что на их внутренних гранях, соприкасающихся с металлической прокладкой 7, возникают одноименные заряды. Потенциал с внутренних граней пластинок снимается тщательно изолированным проводником 6, присоединенным к прокладке 7, а с внешних граней пьезоэлементов — через корпус и метал­лические прокладки 8 и 10, мембрану 1 и шарик 4. Применение шарика 4 и колпачка 5 способствует более равномерно­му распределению контактного давления по поверхности пласти­нок. Штуцер 9, зажимающий мембрану 1, служит для присоедине­ния чувствительного элемента к объекту измерения. Пьезоэлементы располагают обычно таким образом, что отри­цательные электрические заряды возбуждаются на электроде 7 и от него по проводнику 6 подаются к измерительной схеме прибора.

Положительные заряды через корпус отводятся на землю. Величина электрического заряда прямо пропорциональна давлению;

q=kPS (4.12)

где q — заряд, Кл;

k— пьезоэлектрическая, постоянная, Кл/Н;

Р—давление, Па;

S — поверхность пластин, м².

Измерения заряда осуществляют обыч­но сложной электронной схемой. Заряды, возникающие на пьезоэлементах, не могут сохраняться длительное время из-за утечек в элементах измерительной схемы, поэтому пьезоэлектрический метод применяют для измерения быстроменяющихся давлений.

Тензометрические манометры. Тензометрический метод измерения давления заключается в непосредственном преобра­зовании деформации упругого чувствительного элемента (мембраны) под воздейст­вием давления в изменение электрического сопротивления резисторов, закрепленных на этом элементе. Это изменение сопротивления преобразуется электрической изме­рительной схемой в электрический выходной сигнал, пропорциональный величине измеряемого давления.

Резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от его деформации, называется тензорезистором.

Зависимость изменения электрического сопротивления Δ R тензорезистора от давления Р определяется по формуле

Δ R=kRP (4.13)

где k — коэффициент тензочувствительности.

Схема тензометрического манометра приведена на рис. 4.7, а. Манометр имеет цилиндрический корпус 1, образующий в верхней части упругую мембрану диаметром 9, 6 или 14, 4 мм, а в нижней — штуцер для подвода измеряемого давления Р. К мембране припаяна круглая сапфировая пластина 2, на поверхность которой нанесены тонкопленочные полупроводниковые тензорезисторы R₁—R₄ из монокристаллического кремния, ценным свойством которого является большое значение коэффициента тензочувствительности.

Тензорезисторы с помощью припаянных к ним выводных про­водов 3 соединены со сборными пластинками 4, закрепленными на кольце из диэлектрика 5.

Манометры с верхним пределом измерения 0, 4 МПа металлической мембраны не имеют. Измеряемое давление воспринимается только сапфировой пластинкой (мембраной) толщиной 2, 25 мм с тензорезисторами, непосредственно припаянными по окружности к торцовой поверхности корпуса манометра.

Давление в манометре измеряется схемой неуравновешенного моста, плечами которого являются тензорезисторы R₁—R₄. Под воздействием измеряемого давления мембрана с сапфировой пластинкой и тензорезисторами подвергается радиальным (кривая 1) и окружным (кривая 2) деформациям ε (рис. 4.7, б). При таком рас положении тензорезисторов каждая пара противоположных плеч моста ориентирована так, чтобы их наиболее чувствительное кристаллическое направление совпадало у одной пары с радиальным, а у другой — с окружным направлением мембраны. Тензорезисторы R₁ и R₂ расположены в радиальном направлении, что приводит при деформации к уменьшению их сопротивления, а тензорезисторы R₃ и R₄ — в окружном направлении, что вызывает увеличение их сопротивления. В результате при деформации возни­кает разбаланс моста в виде напряжения, которое с помощью встроенного в корпус манометра микроэлектронного усилителя преобразуется в пропорциональный измеряемому давлению токовый выходной сигнал дистанционной передачи

0—5 мА.

Верхний предел показаний манометров 0, 1—40 МПа; класс точности 0, 6; 1 и 1, 5.

Тензометрические манометры имеют малые габариты, простое устройство, высокую точность и надежность в работе, что позво­ляет использовать их для измерения давлений в сложных производ­ственных условиях.

В нашей стране выпускаются тензометрические манометры, которые используют сапфировую пластинку с тензодатчиками и которые так и называются манометрами “Сапфир”. Они разработаны московским заводом “Манометр” и выпускаются этим же предприятием и некоторыми другими фирмами в России. Они представляют собой датчик и регистрирующий прибор. Кроме того, ряд заграничных фирм выпускает датчики давления этого типа, снабжённые микросхемой для усиления и первичной обработки сигнала, так что измерительный сигнал можно видеть на любом электроизмерительном приборе уже приведенными к одному из стандартов – весь диапазон измерений соответствует либо сигналу напряжения 0 – 10 В, либо токовому сигналу 4 – 20 мА.

Приборы дифференциального давления применяются для измерений разницы между двумя отдельными давлениями. Базовым давлением является то, которое присутствует на стороне, взятой за эталонную. В качестве чувствительных элементов используются пружины тех же форм, что и в манометрах относительного давления (рис.4.8) Как правило, чувствительные элементы подвергаются воздействию давления с обеих сторон. Установленная таким образом разность давлений передается с помощью стрелочного механизма непосредственно на шкалу. Если измеряемые давления одинаковы, измеряемый элемент остается неподвижным и показания прибора отсутствуют. Измерение низких разностных давлений возможно даже при высоком статическом давлении. Защита от высоких перегрузок обеспечивается с помощью пластинчатых чувствительных элементов. При выборе манометра следует учитывать допустимое статическое (рабочее) давление, а

также максимально допустимую перегрузку со стороны © и 0. Для преобразования деформации чувствительного элемента в показания стрелки используются принципы, аналогичные принципам действия манометров избыточного давления. Диапазоны показаний лежат в пределах от 0... 16 мбар до макс. 0... 25 бар с классом точности от 0, 6 до 2, 5. Области применения:

- оснащение фильтров (контроль состояния фильтра)

- измерения уровня заполнения резервуаров, находящихся под

давлением

- измерение расхода (падение давления на диафрагме)

Дифференциальный манометр МДП4-СМ-Т.