Электрические манометры и вакуумметры.

Действие приборов этой группы основано на свойстве некоторых материалов изменять свои электрические параметры под действием давления.

Пьезоэлектрические манометры применяют при измерении пульсирующего с высокой частотой давления в механизмах с допустимой нагрузкой на чувствительный элемент до 8*10³ ГПа. Чувствительным элементом в пьезоэлектрических манометрах, преобразующим механические напряжения в колебания электрического тока, являются пластины цилиндрической или прямоугольной формы толщиной в несколько миллиметров из кварца, титана бария или керамики.

Конструкция преобразователя пьезоэлектрического манометра показана на рис.2.148. Измеряемое давление через мембрану 7 действует на пьезоэлементы 8 и 9, расположенные так, что на их внутренних гранях, соприкасающихся с металлической прокладкой 4, возникают одноименные заряды. Потенциал с внутренних граней пластинок снимается изолированным проводником 3, присоединенным к прокладке 4, а с внешних граней пьезоэлементов – через корпус и металлические прокладки 2 и 5, мембрану 7 и шарик 10, крышку 1. Штуцер 6, зажимающий мембрану 7, служит для присоединения чувствительного элемента к объекту измерения.

Величина электрического заряда будет прямо пропорциональна давлению:

q=kpS,

где q – заряд, Кл; к – пьезоэлектрическая постоянная, Кл/Н; р –давление, Па; S - площадь поверхности пластин, м².

Измерение заряда выполняется электронной схемой.

Тензометрические манометрыимеют малые габаритные размеры, простое устройство, высокую точность и надежность в работе. Верхний предел показаний 0,1…40 Мпа. Применяются в сложных производственных условиях.

В качестве чувствительного элемента в тензометрических манометрах применяются тензорезисторы, принцип действия которых основан на изменении сопротивления под действием деформации.

Конструкция тензометрического манометра приведена на рис. 2.149. Манометр имеет цилиндрический корпус 4, образующий в верхней части упругую мембрану, а в нижней – штуцер для подвода измеряемого давления р. К мембране припаяна круглая сапфировая пластина 1, на поверхность которой нанесены тонкопленочные полупроводниковые тензорезисторы R₁…R₄ из монокристаллического кремния.

Тензорезисторы с помощью припаянных к ним выводных проводов 5, соединены со сборными пластинками 2, закрепленными на кольце из диэлектрика 3.

Давление в манометре измеряется схемой неуравновешенного моста, плечами которого являются тензорезисторы R₁…R₄.

В результате деформации мембраны с сапфировой пластинкой 1 и тензорезисторами возникает разбаланс моста в виде напряжения, которое с помощью усилителя преобразуется в выходной сигнал, пропорциональный измеряемому давлению.

Принцип действия тепловых вакуумметров(рис.2.150) основан на зависимости теплопроводности газовой среды от степени ее разряжения. В обеих схемах чувствительным элементом является нагретая путем пропускания электрического тока платиновая нить 3, расположенная в вакуумном баллоне 2. При увеличении разряжения среды ее теплопроводность будет уменьшаться, следовательно, нагретая нить будет хуже отдавать тепло стенкам вакуумного баллона 2, в результате чего ее температура будет возрастать. Измеряя температуру нити, можно судить о наличии вакуума. Температура нагрева нити должна быть около +100˚С для исключения теплопередачи за счет лучеиспускания.

В термопарном тепловом вакуумметре температуру измеряют термопарой 5, изготовленной из хромель-копели, и соединенной с нитью при помощи крючка из тонкой проволоки. Температура нити измеряется милливольтметром, подключаемым через электрические вводы 1.

Тепловые вакуумметры применяются для измерения очень малых величин давления (вакуума)

Дифференциальные манометрыприменяются для измерения разности (перепада) давления жидкостей и газов. Они могут быть использованы для измерения расхода газов и жидкостей, уровня жидкости, а также для измерения малых избыточных и вакуумметрических давлений.

Наиболее широкое распространение в промышленности получили мембранные и сильфонные дифференциальные манометры.

Мембранные дифференциальные манометры являются бесшкальными первичными измерительными приборами, предназначенными для измерения давления неагресивных сред, преобразующими измеряемую величину в унифицированный аналоговый сигнал постоянного тока 0…5 мА, переменного тока взаимной индукции 0…10 мГн или в пневматический сигнал давления 20…100 кПа.

Схема мембранного дифференциального манометра типа ДМ с дифференциально-трансформаторным преобразователем представлена на рис. 2.151,а. Чувствительным элементом этого манометра является мембранный блок, состоящий из двух мембранных коробок 1 и 3, закрепленных в корпусе 2. Мембранные коробки изготовлены из гофрированных мембран, выполненных из немагнитного хромоникелевого сплава. Внутренние полости коробок заполнены дистиллированной водой и черех отверстие в перегородке сообщаются между собой. С центром верхней мембраны связан сердечник 4 дифференциально-трансформаторного преобразователя 5. Сердечник 4 перемещается внутри разделительной трубки 6, выполненной из немагнитной стали. Давление р₁ и р₂ в камеры дифференциального манометра подводится трубками через запорные вентили, причем давление р₁ больше давления р₂. Под действием измеряемой разности давлений (р₁-р₂) нижняя мембранная коробка 1 сжимается и жидкость из нее перетекает в верхнюю мембранную коробку 3, вызывая перемещение центра мембраны верхней коробки, а вместе с ней и сердечника 4 преобразователя до тех пор, пока усилие от приложенной к мембранному блоку разности давлений не уравновесится упругими силами мембранных коробок. Перемещение сердечника 4 приводит к изменению напряжения выходного сигнала пропорционально измеряемому перепаду давления.

Дифференциальные манометры типа ДМ выпускаются на предельные перепады давления 1,6…630 кПа.

Сильфонные дифференциальные манометры. На рис. 2.151,б показана конструкция сильфонного дифференциального манометра с магнитным преобразователем. Измерительный блок дифференциального манометра состоит из сильфона 1, в который встроена пружина 2, ее жесткость определяет диапазон измеряемого перепада давления. Сильфон 1 жестко соединен с плоской пружинной подвеской 3, с которой связан магнитный сердечник 4. Магнитный сердечник 4 находится внутри разделительной трубки 5 из немагнитной стали, на на которой установлен преобразователь 6 с магнитной компенсацией. Рядом с преобразователем 6 расположен транзисторный усилитель 7. Подвод давления р₁ и р₂ в камеры дифференциального манометра осуществляется через импульсные трубки. Под воздействием разности давлений (р₁-р₂) сильфон 1 сжимается, вызывая перемещение его дна. При этом перемещается магнитный сердечник 4 преобразователя 6, воздействующий на магнитный усилитель, выходной сигнал которого дополнительно усиливается и в виде унифицированного сигнала 0…5 мА поступает ко вторичному прибору.

Сильфонные дифференциальные манометры выпускаются на предельные перепады давления 1…4 кПа, они рассчитаны на предельно допустимое рабочее избыточное давление 25 кПа.