Электрические измерения неэлектрических величин

Двухтрубный мановакуумметр типа MB состоит из стеклянной U-образной трубки, закрепленной на основании скобами. Уровни жидкости (дистиллированная вода или ртуть) отсчитываются по шкале , отградуированной в мм. При отсутствии разности давлений в обеих трубках уровни жидкости располагаются вблизи нулевой отметки. Манометр достаточно универсален и позволяет измерять как положительное и отрицательное избыточные давления, так и разность давлений. Мановакуумметры типа MB при их заполнении водой выпускаются на диапазоны измерений от 0-10 гПа (0—100 мм вод. ст.) до 0—100 гПа (0—1000 мм вод. ст.). Погрешность измерений при температуре (20±5)°С составляет ±0,2 гПа (±2 мм вод. ст.).

В двухтрубном манометре абсолютного давления типа AМ в отличие от предыдущего левое колено стеклянной трубки б запаяно, а правое стеклянным краном 4 подключается к ниппелям 5 для соединения с откачивающим устройством и измеряемым абсолютным давлением. Стеклянная трубка, заполненная ртутью 3, с краном и присоединительными ниппелями скобами 2 закреплена на основании 1, а шкала 7 смонтирована на держателе 8, который может смещаться относительно основания при регулировке нулевого положения. U-образная трубка перед заполнением ртутью откачивается, что обеспечивает в ее запаянном конце достаточно полный вакуум. Манометры типа AM выпускаются с диапазонами измерений 0-130 гПа (0-100 мм рт.ст.) и 0—210 гПа (0-160 мм рт.ст.) при погрешности измерений ±2 гПа (± 1,5 мм рт. ст.).

             Очень часто к жидкостным манометрам относят приборы, измерительная система которых хотя и содержит в качестве одного из элементов жидкость, но по принципу действия в корне отличается от жидкостных манометров. К таким приборам относится дифференциальный манометр типа „кольцевые весы"состоящий из тороидального корпуса, внутренняя полость которого в верхней части разделена перегородкой, а нижняя часть до половины заполнена жидкостью . Таким образом, корпус имеет две измерительные камеры А и Б, в которые через гибкие шланги подаются измеряемые давления. Корпус может поворачиваться относительно опоры, расположенной в его геометрическом центре. К нижней части корпуса прикреплен противовес.

              По мере развития науки и техники и дальнейшего совершенствования деформационных манометров и измерительных преобразователей давления различных типов применение жидкостных манометров при технических измерениях в народном хозяйстве страны будет все более и более ограничиваться. Однако благодаря фундаментальности принципа действия и высокой стабильности показаний жидкостных манометров во времени перспективность их применения в качестве образцовых и эталонных приборов в барометрии (до 100—150 кПа) и в микроманометрии (до 2,5—4 кПа) не вызывает сомнений.

               В первую очередь, развитие жидкостных манометров будет идти в направлении повышения точности, автоматизации процесса измерений и введения поправок в показания приборов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

          4 Деформационные манометры 

           По мере развития промышленности, особенно в связи с появлением паровых машин и железных дорог, потребовались более удобные, чем жидкостные манометры приборы.

           Первый деформационный манометр с трубчатым чувствительным элементом был изобретен случайно. Рабочий, при изготовлении змеевика для дистилляционного аппарата, сплющил поперечное сечение цилиндрической трубки, изогнутой по спирали. Тогда, чтобы восстановить форму трубки, один конец ее заглушили, а в другой конец насосом дали давление воды. При этом часть трубки с деформированным сечением приняла цилиндрическую форму, а спираль на этом участке разогнулась. Этот эффект был использован немецким инженером Шинцем, который в 1845 г. применил трубчатый чувствительный элемент для измерения давления. Эту дату и принято считать днем рождения деформационных манометров, хотя идея создания деформационного барометра - анероида еще в 1702 г. была предложена немецким философом и математиком Лейбницем (1646—1716 гг.), а патент на него получен Види в 1844 г. Промышленное производство трубчатых деформационных манометров было организовано французским фабрикантом Бурдоном, получившим в 1849 г. патент на изобретение одновитковой трубчатой пружины, именем которого она до сих пор часто называется („Бурдоновская трубка"). В 1850 г. Примавези и Шеффер изобрели мембранный манометр, а несколько позже в 1881 г. Клейманом получен патент на сильфонный манометр.

           Простота и компактность деформационных манометров, возможность их применения в различных условиях эксплуатации очень быстро поставили их на первое место в технике измерения давления практически во всех отраслях народного хозяйства.

           Диапазон измерений деформационных манометров охватывает почти 10 порядков, простираясь от 10 Па (1 мм вод.ст.) до 1-2 ГПа (более 10000 кгс/см²). При этом достигается высокая точность измерений, в отдельных случаях погрешности измерений не превышают 0,02—0,05 %.

            Принципиальное отличие деформационных манометров от жидкостных и поршневых состоит в применении упругого чувствительного элемента (УЧЭ) в качестве первичного преобразователя давления. Чувствительный элемент, воспринимающий измеряемое давление, представляет собой упругую оболочку, которая обычно выполняется в форме тела вращения, причем толщина стенки оболочки существенно меньше ее внешних размеров. Под действием измеряемого давления упругая оболочка деформируется так, что в любой точке оболочки возникают напряжения, уравновешивающие действующее на нее давление.

Понятие „деформационный  манометр" в общем виде может  быть сформулировано следующим образом. Деформационный манометр — манометр, в котором измеряемое давление, действующее на упругую оболочку УЧЭ, уравновешивается напряжениями, которые возникают в материале упругой оболочки. Таким образом УЧЭ преобразует давление, являющееся входной величиной, в выходную величину, несущую измерительную информацию о значении давления. Для УЧЭ естественно выбрать в качестве выходной величины в зависимости от принципа действия деформационного манометра: перемещение заданной точки УЧЭ; напряжение в материале заданной точки и усилие, развиваемое УЧЭ под действием давления.

             Выбор того или иного выходного сигнала УЧЭ определяет способы его дальнейшего преобразования для получения результатов измерения давления, а следовательно, и принцип действия деформационного манометра.

             Исторически первыми получили развитие деформационные манометры, в которых мерой давления является деформация УЧЭ (перемещение заданной точки его упругой оболочки). Эти манометры широко применяются и в настоящее время благодаря относительной простоте преобразования перемещения в информацию об измеряемом давлении. Вместе с тем, широкое распространение получили деформационные манометры, основанные на непосредственном преобразовании в информацию об измеряемом давлении напряжений (методы прямого преобразования), а также способы силовой компенсации измеряемого давления (методы уравновешивания). Однако во всех случаях применяются одни и те же типы УЧЭ. Основные типы УЧЭ: мембраны, мембранные коробки, сильфоны и трубчатые пружины.

              В связи с широким внедрением ЭВМ в системы контроля, регулирования и управления производственными и технологическими процессами . наметилась тенденция разработки совместных с ними миниатюрных микропроцессорных аналого-цифровых преобразователей, встроенных в полупроводниковые датчики (например, датчик ST-3000 с погрешностью 0,1 %, разработанный американской фирмой „Honeuwell". Однако указанное не исключает дальнейшее развитие современных относительно дешевых полупроводниковых датчиков. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

               5 Методы косвенных измерений давления 
 

               В отличие от методов прямых измерений давления, на которых основаны рассмотренные ранее жидкостные, поршневые и деформационные манометры, методы косвенных базируются на измерении физических величин (температуре, объеме), значения которых связаны с давлением известными физическими закономерностями, или на изменении физических свойств измеряемой среды под действием давления (теплопроводности, вязкости, электропроводности и пр.). Косвенные методы, как правило, находят применение в тех случаях, когда прямые методы измерения давления трудно осуществимы, например, при измерении весьма малых давлений (вакуумные измерения) или при измерениях сверхвысоких давлений. Указанные области техники измерения давления в силу своей специфики выходят за рамки данной книги, поэтому целесообразно ограничиться кратким рассмотрением косвенных методов, нашедших применение при измерении давления.

            Для определения давления находят также применение методы, основанные на зависимости от давления различных физических свойств жидкостей и газов и протекающих в них процессах. При этом были использованы результаты исследований влияния давления на плотность и вязкость, диэлектрическую проницаемость, скорость распространения ультразвука, теплопроводность и другие свойства измеряемой среды.

            В области высоких и средних давлений указанные методы широкого распространения не получили в связи с их относительной сложностью и трудоемкостью по сравнению с другими методами (применение манганинового манометра сопротивления в области высоких давлений, прямые методы измерений в области средних давлений).

             В области вакуумных измерений указанные методы применяются практически    повсеместно. Зависимость теплопроводности разреженного газа от давления используется в тепловых и термопарных манометрах; зависимость тока положительных ионов от измеряемого давления — в ионизационных манометрах. Используется также зависимость от давления вязкости газа, кинетической энергии молекул, концентрации молекул и пр.

Наибольшее распространение  в вакуумной технике (около 70 %) получили термопарные и ионизационные  манометры.

Термопарный манометр так же, как и тепловой, основан на зависимости теплопроводности разреженного газа от давления. Манометр содержит стеклянную или металлическую колбу 3, в которой помещены нагреватель 1 и впаянная в него термопара 2. Нагреватель питается от источника переменного тока, и его температура, а следовательно, и температура термопары, определяется теплоотдачей в окружающий разреженный газ. Чем меньше давление газа, тем меньше его теплопроводность и тем больше температура, а следовательно, ЭДС на выходе термопары, которая и является мерой измеряемого давления. Шкала прибора 4 для измерения ЭДС градуируется, как правило, в единицах давления. Данный принцип наиболее эффективен при давлениях от 0,1 до 100 Па. При давлениях, меньших 0,1 Па, все большая доля тепла передается излучением, а при давлениях, больших 100 Па, увеличение теплопроводности газа резко замедляется. В обоих случаях существенно уменьшается чувствительность прибора. Погрешность измерений составляет 10-30 %. На градуировочную характеристику существенно влияет состав газа. Поэтому для уточнения показаний термопарного манометра необходима индивидуальная градуировка.

           Принцип действия ионизационного манометра основан на зависимости от давления тока положительных ионов, образованных в результате ионизации разреженного газа. Ионизация газа осуществляется электронами, ускоряемыми электрическим или магнитным полями, а также посредством излучения радиоизотопов. При одном и том же количестве электронов, пролетающих через газ, или постоянной мощности излучения степень ионизации газа пропорциональна концентрации его молекул, т. е. измеряемому давлению.

            В простейшем случае наиболее употребим ионизационный манометр с горячим катодом содержащий стеклянную колбу , в которую впаяны анод  и катод . Благодаря разогреву катода источником постоянного тока , его поверхность испускает электроны, которые разгоняются напряжением между катодом и анодом -и ионизируют находящийся между ними газ. Сила тока положительных ионов, измеряемая гальванометром 5, является мерой измеряемого давления.

             Для увеличения степени ионизации между катодом и анодом помещена сетка, на которую подается напряжение, сообщающее дополнительное ускорение потоку электронов. Манометры этого типа охватывают диапазон от КГ⁷ до 1 Па, дополняя диапазон измерений термопарного манометра. Погрешности измерений составляют также 10—30 %.

            Следует отметить, что рассмотренные выше газовые барометры в связи с появлением высокоточных деформационных барометров аналогичного назначения в настоящее время практически не применяются. В отличие от этого в области вакуумных измерений указанный принцип находит широкое применение. Компрессионные („компрессия" — сжатие) и экспансионные („экспансия" — расширение) манометры являются основными средствами воспроизведения и передачи единицы давления в области вакуумных измерений в диапазоне от 10~³ до 10³ Па (10~⁵ — 10 мм рт. ст.).

Принципиальная  схема компрессионного манометра, представленная на, была предложена МакЛеодом еще в 1874 г. Манометр состоит из стеклянного сосуда , в верхнюю часть которого впаян измерительный капилляр . По трубке сосуд сообщается с вакуумной системой, в которой измеряется давление газа. Заполненный ртутью резервуар присоединен к прибору гибким шлангом и трубкой 5. Параллельно измерительному капилляру  к трубке припаян сравнительный капилляр .

             Перед измерением давления р в вакуумной системе резервуар опускается до тех пор, пока мениск ртути в трубке не расположится ниже уровня I—I При этом давление газа в сосуде будет равно давлению в вакуумной системе.

          Экспансионные манометры (установки с калиброванными объемами) в отличие от компрессионных основаны на понижении известного давления от требуемого значения. Для этого в сосуде с относительно небольшим объемом Vi создается давление, достаточное для точных измерений.