Архив рубрики: ДЕФОРМАЦИОННЫЕ МАНОМЕТРЫ

4.6. Перспективы развития деформационных манометров

По принципу действия деформационные манометры требуют для своей градуировки применения методов и средств, основанных на абсо­лютных методах воспроизведения давления. Повышение их точности, в принципе, ограничено точностью применяемых при градуировке жид­костных и поршневых эталонов, которая характеризуется погрешностя­ми порядка 1 • 10~5 — 5 • 10~5. Это позволило уже в настоящее время создать образцовые деформационные манометры, погрешности которых не превышают 2,5 • 10~4 -5 • 10~4
(0,025-0,05 %). Дальнейшее повы­шение точности деформационных манометров в связи с их недостаточно высокой долговременной стабильностью возможно лишь при условии периодической корректировки показаний в процессе эксплуатации, что может быть достигнуто как путем периодического сравнения показаний деформационного манометра с показаниями точного и стабильного пор­шневого манометра, так и другими способами. Например, фирмой „Druck Ltd" (Англия), для этих целей разработан цифровой манометр типа DPJ501, в котором аналоговые выходные сигналы полупроводни­кового датчика давления автоматически корректируются вибрационно-частотным датчиком давления типаNT3080фирмы „Solartron" (Англия). При этом погрешность измерения не превышает 0,015 %.

Одно из важнейших направлений развития точных деформационных манометров — разработка портативных образцовых переносных мано­метров, пригодных для контроля рабочих средств измерений на месте их эксплуатации. Так, на основе полупроводниковых датчиков давления и современной электроники фирмой „Druck Ltd" разработан переносной образцовый манометр типа DPJ600 класса точности 0,1, модификации которого предназначены для измерения избыточного давления в диапазо­нах от 0-7,5 кВ до 0-7 МПа; абсолютного давления от 0-35 кПа до 0-3,5 МПа и разности давлений от 0—7,5 до 0—1000 кПа. Погрешность, вы­зываемая совместным влиянием нелинейности, гистерезиса и воспроиз­водимости, не превышает ±0,1 % для диапазонов до 3,5 МПа и ±0,2 % для диапазонов до 7 МПа. Дискретность цифрового отсчета 5 • 10~5 (0,005 %). Температурный коэффициент чувствительности не превышает 0,02 %/°С. Габаритные размеры ЗО5Х180Х110 мм, масса 4 кг.

Переносной манометр содержит переключатели единиц измерений и диапазонов измерений, ручной насос, регулятор объема, корректор ну­ля и штуцер для подключения измеряемого давления. Питание прибора осуществляется от батареек напряжением 12 В или от внешнего источни­ка питания.

Однако, основное назначение деформационных манометров состоит в удовлетворении потребностей различных отраслей промышленности в измерении давления, так как в каждой отрасли существуют свои тре­бования к условиям эксплуатации, формам представления информации, точности и надежности, необходимым габаритным размерам и массе, стоимости приборов и пр.

Все это требует совершенствования различных параметров и свойств деформационных манометров, специфика которых определяется их на­значением и принципом действия.

К контрольному вопросу № 8

Вы правильно ответили на вопрос. Несмотря на сведение к минимуму нелинейности УЧЭ, необходимо принимать во внима­ние нелинейность цепи обратной связи и в первую очередь — не­линейность силового электромагнита.

Выпускаемые десятками миллионов штук общепромышленные стре­лочные деформационные манометры с механическим преобразованием давления, требования к точности которых относительно невысоки (6р > > 1 %), в конструктивном отношении радикальной модернизации не тре­буют. Основная задача состоит в повышении качества изготовления с целью достижения долговечности и надежности и, в первую очередь, улучшении таких метрологических характеристик деформационных манометров, как нелинейность и вариация показаний. Необходимо так­же дальнейшее совершенствование материалов УЧЭ с целью понижения их чувствительности к изменениям температуры.

Деформационные манометры, основанные на электрических мето­дах преобразования (индуктивные, емкостные и др.), обеспечивая доста­точно высокую точность, нуждаются в совершенствовании методов защи­ты их электрических цепей от воздействия внешних электрических и магнитных полей, особенно при необходимости размещения на расстоя­нии УЧЭ и электроники.

Дальнейшее развитие получают металлические и полупроводниковые тензорезистивные деформационные манометры.

Фирмой „Statham Instr" (США) разработаны тонкопленочные ме­таллические резистивные датчики Р1000, способные без регулировки стабильно работать в условиях бурения в море в течение более 5 лет. Технология изготовления тензорезистора основана на напылении в ваку­уме металлической пленки на керамическую подложку, предварительно нанесенную на мембрану из нержавеющей стали. Датчик защищен от воз­действия внешней среды двойным корпусом, приваренным к основанию.

Технология изготовления кремниевых полупроводниковых тензо-датчиков в настоящее время отработана достаточно хорошо и ее совер­шенствование будет продолжаться по мере развития микроэлектроники. Однако при температуре выше 200е
С полупроводниковый кремний те­ряет свою тензочувствительность, превращаясь в обычный проводник, что не допускает их применение в условиях высоких температур (внутри работающих автомобильных и реактивнйгс двигателей, в буровых уста­новках глубокого бурения и пр.). Весьма перспективна для этих целей замена кремния на карбид кремния (карборунд). В настоящее время уже созданы транзисторы из карбида кремния на подложке из его окис­лов, нанесенной на металлическую мембрану. Полупроводниковые свой­ства такого тензорезистора при температуре 650 С аналогичны свойст­вам обычного кремниевого тензорезистора при температуре 20°С.

В настоящее время проводятся также разра тки полупроводнико­вых тензорезисторов, предназначенных для работы в условиях низких температур (сверхпроводящие магнитные системы термоядерных уста­новок, криогенные накопители энергии;" реактивные двигатели на сжи­женном водороде и пр.) в диапазоне от 2 до 100 К (от —271 до — 173° С). В этих условиях чистые полупроводники превращаются в диэлектрики. Введение в кремний примесей позволяет сохранить тензочувствитель-ность, хотя она существенно снижается. В нашей стране разработан дат­чик такого типа. Основанный на структуре КНС датчик „Криос ДА" наи­более перспективен в диапазоне давлений от 0,1 до 10 МПа. Основная по­грешность 1 %, дополнительная погрешность не превышает 2 % в диапазо­не 4—77 К и 4 % — в диапазоне температур 77—300 К.

К контрольному вопросу № 8

Вы ошиблись. Силовая компенсация позволяет существен­но уменьшить нелинейность УЧЭ. Однако при этом не устраняет­ся нелинейность цепи обратной связи, величина которой доходит до 50 % предела основной допускаемой погрешности.

Вам следует еще раз просмотреть разд. 4.3.

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.

4.5. Манометры с силовой компенсацией

Все рассмотренные выше деформационные манометры основаны на методе прямого преобразования давления (см. рис. 32, а). Метод урав­новешивающего преобразования давления (см. рис. 32, б), хотя и менее распространен в технике измерения давления, но продолжает сохранять заметную роль в некоторых отраслях промышленности, в которой на­ходят применение манометры с силовым уравновешиванием двух типов: уравновешивание измеряемого давления пневматическим давлением (пневматическая силовая компенсация); уравновешивание измеряемого давления электромагнитными силами (электромагнитная силовая ком­пенсация) .

При этом во время уравновешивания силы, возникающей в первич­ном ЧЭ под действием измеряемого давления, силой, развиваемой цепью обратной связи, происходит незначительное перемещение первичного ЧЭ, независимо от. его жесткости, что позволяет в широких пределах варьи­ровать чувствительность измеряемой системы.

К контрольному вопросу № 7

Вы плохо усвоили принцип действия полупроводниковых преобразователей давления. Еще раз внимательно просмотрите разд. 4.4.

Манометры с пневматической силовой компенсацией. Принципиаль­ная схема манометра (преобразователя давления) с пневматической си­ловой компенсацией представлена на рис. 47. Измерительная система преобразователя состоит из сильфона 1, жестко связанного с рычагом 2, второй конец которого выполнен в форме плоской заслонки. Система обратной связи содержит сопло 3, которое перекрывается заслонкой при повороте рычага 2, дросселя 6 и сильфона 7, жестко связанного с рыча­гом, вдоль которого может передвигаться установочный ролик 8.

При воздействии измеряемого давления рк жидкости или газа на сильфон 1 возникает сила, стремящаяся повернуть рычаг 2 и тем самым прижать заслонку к соплу 3, которое с помощью дросселя 4 сообщено с источником давления питания. Благодаря этому давление в системе об­ратной связи повышается и после усилителя поступает в сильфон 7, свя­занный с рычагом и пружиной 5, развивая посредством установочного ролика 8 уравновешивающее усилие на рычаг 2. Давление, которое необ­ходимо для достижения равновесия измерительной системы, пропорцио­нально измеряемому давлению, причем коэффициент пропорциональнос­ти определяется эффективными площадями сильфонов 1 и 7 и соотноше­нием плеч рычагов. Этим достигается соответствие диапазона измеряемо­го давления ри диапазону выходного давления воздуха рВых» который

Рпит

4.5. Манометры с силовой компенсациейРёых

Рис. 47. Схема преобразователя давления с пневмати­ческой силовой компенсацией

составляет. 20—100 кПа (стандартный выходной пневматический сиг­нал).

В нашей стране выпускается преобразователь разности давлений типа 13ДД11 (рис. 48). Измерительная система преобразователя содер­жит основание 1, к которому фланцами герметично, прикреплены раз­делительные мембраны 9. Центры мембран жестко соединены стерж­нем 10, в прорезь которого помещен нижний конец рычага 2 с пружиной 4, закрепленного на упругой опоре 3. Внутренняя полость основания 1 между мембранами 9 заполнена кремнийорганической жидкостью.

При подаче на разделительные мембраны измеряемой разности дав­лений на нижний конец рычага со стороны стержня действует сила, стре­мящаяся повернуть рычаг, верхний конец которого с помощью заслонки 5 увеличивает сопротивление при истечении сжатого воздуха из сопла 6, питаемого давлением РпиТ =140 кПа через постоянный дроссель. Бла­годаря этому давлению воздуха в цепи обратной связи, усиленное пнев-мореле 7, увеличивается до тех пор, пока усилие со стороны сильфона 8 не уравновесит усилие со стороны измеряемого давления. При достиже­нии равновесия измерительной системы измеряемая разность давлений определяется выходным давлением £>вых-

Преобразователи предназначены для эксплуатации при температуре окружающего воздуха от —50 до +80°С. Пределы допускаемой основной погрешности 0,6 и 1,0 %, верхние пределы измерений разности давлений в зависимости от модификации колеблются от 1 до 630 кПа при рабочем избыточном давлении от 2,5 до 40 МПа. Масса прибора от 5,2 до 14 кг, габаритные размеры от 197Х155Х100 до ЗООХ188Х140 мм. Достоинство преобразователя — его практически полная взрывобезопасность.

Рпит

4.5. Манометры с силовой компенсацией

Аналогичные по своим ха­рактеристикам   преобразовате­ли  с пневматической силовой компенсацией   для  измерения абсолютного    и    избыточного .^       давления и разности давлений РВых  выпускаются   и   зарубежными фирмами „Siemens", „Guide — Regelarmafurer"   (ФРГ)   и др.

К контрольному вопросу №7

Материал разд. 4.4 Вами усвоен. Продол­жайте дальнейшее изуче­ние учебника.

Рис. 48. Преобразователь разности давлений типа 13ДД-11

Манометрические приборы с силовым электромагнитным уравновешиванием отличаются от всех других типов, рассмот­ренных ранее, тем, что в них путем использования обратной связи происходит сравнение электрической выходной вели­чины с входной механической. Следовательно, достигается со­стояние равновесия меэвду входной силой, возникающей в результате воздействия давле­ния на УЧЭ, и противоположно направленной силой, создавае­мой электрическим током, зна­чение которого является мерой

давления. Обладая очевидными достоинствами (долговременная стабиль­ность, практическая независимость статических и динамических характе­ристик от других характеристик УЧЭ), преобразователи с силовым урав­новешиванием имеют обычно относительно большие размеры и массу. Этим, в основном, объясняется их замена датчиками других типов во многих отраслях промышленности. Однако в тех областях науки и тех­ники, где требуется высокая точность измерений, эффективность приме­нения манометрических приборов с электромагнитной силовой компен­сацией не вызывает сомнений.

В нашей стране серийно выпускаются измерительные преобразовате­ли давления типа ИОД, предназначенные для прецизионных измерений в системах автоматического контроля, регулирования и управления тех­нологическими процессами. Преобразователь (рис. 49) состоит из чувст­вительного элемента (сильфона) 5, рычага 3 с опорой 4, двух механиз-

4.5. Манометры с силовой компенсацией

4.5. Манометры с силовой компенсацией

Рис. 49. Преобразователь давлении типа ИПД

мов обратной связи 7 и 7, индикатора рассогласования 6 дифференциаль­но-трансформаторного типа, нагрузочного устройства 2 и блока усилите­ля &

Преобразователь работает следующим образом. В чувствительный элемент 5 подается измеряемое давление, который преобразует это дав­ление в усилие, передаваемое на рычаг 3, что приводит к перемещению рычага и связанного с ним плуншера индикатора рассогласования 6. Ин­дикатор преобразует перемещение в управляющий сигнал переменного тока поступаюидай на вход блока усилителя 8, который преобразуется в выходной сигнал постоянного тока. Последний поступает одновремен­но в обмотки катушек силовых механизмов обратной связи 1 и 7 и на блок резисторов 11, преобразующих выходной сигнал усилителя в вы­ходной сигнал преобразователя в виде напряжения постоянного тока. В силовом механизме взаимодействие поля постоянного магнита с маг­нитным полем, которое создается током усилителя 8> протекающим по обмотке подвижной катушки, создает пропорциональное этому току усилие Обмотки катушек силовых механизмов 1 и 7 включены в проти­воположном направлении, поэтому моменты развиваемых ими сил скла­дываются и уравновешивают момент силы, создаваемый чувствительным элементом на плече L.

Прео разователь позволяет производить его самопроверку в процес­се эксплуатации. При этом нижний предел измерений корректируется при нулевом значении давления путем сообщения чувствительного эле­мента с атмосферой, а верхний предел измерений — наложением на рычаг 3 калибровочного шарика нагрузочного устройства 2.

Питание преобразователя производится от сети переменного тока на­пряжением 220 В понижающим трансформатором 9 и источником стаби­лизированного питания 10.

Модификации преобразователей позволяют измерять как избыточ­ное давление (рис. 52, а), так и разность давлений (рис. 52, б). В послед­нем случае измерительный механизм преобразователя помещается в гер­метичный корпус 13, в присоединительный штуцер которого подается меньшее из измерительных давлений.

Преобразователь в комплекте с блоком индикации 12 применяется в качестве образцового показывающего манометра с цифровым отсче­том.

Расчетное цифровое показание* блока индикации, соответствующее измеряемому давлению, определяется по формуле

•  II = U       •       Р~Pmin                                     (4 IT)

Ртах ~ Pmin

где С/щах — цифровое показание блока индикации, соответствующее верх­нему пределу измерений измеряемого давления; р — значение измеряе­мого давления; ртах
— верхний предел измерений; рт^ — нижний пре­дел измерений (для всех модификаций, кроме модификации с диапазо­ном измерений 20—100 кПарт^ = 0). Основные метрологические харак­теристики манометров ИПДЦ:

верхние пределы измерений от —10 до —100 кПа для вакуумметров; от 6 кПа до 16 МПа для манометров;

предел допускаемой основной погрешности от ±0,06 до ±0,25 % (в зависимости от диапазона измерений);

зона нечувствительности не превышает 0,01 %\

изменение показаний от влияния температуры не более 0,01 % на

icq

габаритные размеры преобразователя 100X468X220 мм, цифрового вольтметра Щ304 61X219X310, масса 16 кг.

Ограниченный объем книги не позволяет рассмотреть многие другие типы деформационных манометров, сведения о которых имеются в тех­нической литературе по технике измерения давления.

Контрольный вопрос № 8

Имеет ли место нелинейность статической характеристики в деформационных манометрах с силовой компенсацией? Да или нет?

Если „да" — см. с. 114, если „нет" — см. с. 115.

* Отсчет показаний производится по табло цифрового вольтметра.

4.4. Резистивные деформационные манометры

Резистивные манометры основаны на изменении активного электро­сопротивления проводников при их механической деформации. Впервые

этот эффект (тензоэффект) был рассмотрен английским физиком В. Томпсоном (лорд Кельвин) в 1856 г. Экспериментальные исследова­ния тензоэффекта для различных металлов и сплавов были впервые про­ведены при давлениях до 300 МПа Лизелом (1903 г.), а затем при дав­лениях до 1300 МПа Бриджменом (1911 г.). Однако широкое внедрение тензоресторной техники в промышленность началось со времен второй мировой войны.

Основная характеристика тензоэффекта — коэффициент относитель­ной тензочувсгвительности, определяемый как отношение изменения со­противления проводника к изменению его длины

* = eR/€h                                                  (4.13)

где ец = AR/R — относительное изменение сопротивления; ег = &1/1 — относительное изменение длины.

Для твердых тел относительное изменение сопротивления зависит как от изменения геометрических размеров, так и от изменения удельно­го сопротивления

к = 1 + 2(i + т,                      (4.14)

где ix — коэффициент Пуассона (для металлов ц — 0,24—0,4); т = = Др/р/А/Д — изменение удельного сопротивления материала, связанное с изменением его физических свойств.

Для металлов (1 + 2д) » т, для полупроводниковых материалов т » (1 + 2д), и для них можно считать, что к = т.

Принципиальное отличие тензометрического метода измерения дав­ления состоит в том, что мерой давления является не перемещение за­данной точки УЧЭ в осевом направлении, а деформации поверхности УЧЭ или поверхности связанного с ним тела. Измерительный преобразо­ватель, который преобразует деформации поверхности твердого тела в изменение его электросопротивления, называется тензорезистором.

Обычно выделяют следующие основные группы тензорезисторов: проволочные, фольговые, тонкопленочные и полупроводниковые. При этом находят применение два основных вида преобразования давле­ния:

давление, воспринимаемое УЧЭ, вызывает деформацию его поверх­ности (растягивающую или сжимающую), которая преобразуется в из­менение электросопротивления тензорезистора;

давление, воспринимаемое УЧЭ, преобразуется в сосредоточенную силу, которая деформирует упругое твердое тело с жестко связанным с ним тензорезистором; иногда производится промежуточное преобразо­вание силы в момент сил.

Аппаратура, содержащая промежуточные преобразователи различ­ного назначения, а также источники питания, усилитель выходного сиг­нала и вторичные приборы для индикации и регистрации давления, тре­бует существенно больших затрат на изготовление, чем УЧЭ с вмонтиро­ванными в него тензорезйсторами, которые, как правило, включаются в мостовую схему и составляют вместе с УЧЭ единый блок (датчик).

Тензорезисторы о ычно включаются во все четыре плеча мостовой схемы, причем для повышения чувствительности одна пара тензорезис-торов работает на растяжение, а другая на сжатие. Иногда два тензорезис-тора располагаются на участках УЧЭ, подверженных деформации, а два других „холостых" (не подвергаются растяжению или сжатию) предна­значены для температурной компенсации мостовой схемы. Для датчиков высокой точности тре&уются также уравновешивающие и компенсацион­ные элементы для корректировки нуля и диапазона измерений и пр.

Первыми были разработаны проволочные тензопреобразователи (проволочные тензорезистивные манометры), предназначенные для из­мерения высоких давлений, которые в отличие от указанных выше ме­тодов преобразования основаны на всестороннем сжатии проводника непосредственно давлением окружающей среды без применения УЧЭ, т. е. функции УЧЭ и тензорезистора совмещены в одном элементе.

В качестве материала проволочного сопротивления до настоящего времени применяется манганин (сплав меди, марганца и никеля), эф­фективность которого при создании тензоэффекта была выявлена ис­следованиями Лизела и Бриджмена еще в начале нашего века.

Манганиновый манометр (рис. 41) содержит катушку сопротивле­ния 6, каркас, которой с помощью двух металлических стержней 1 при­креплен к втулке 3, и корпус 7 с штуцером для подключения измеряе­мого давления. Для уплотнения стержней в их средней части имеются кольцевые утолщения, с двух сторон которых помещены прокладки 4. Предварительное уплотнение производится с помощью гайки 2, а за­тем под действием давления верхние прокладки самоуплотняются. Для электрической изоляции стержней, предназначенных для включения катушки сопротивления в мостовую схему, стержни отделены от метал­лических деталей воздушными зазорами, которые обеспечиваются цент­ровкой стержней посредством изолирующих втулок 5 и уплотнений 4.

Уравнение измерений манганинового манометра имеет вид

p = a(-f-)+n-f)2,                                  (4-15)

к                      к

где Ro — сопротивление проводника при отсутствии давления; AR — изменение сопротивления при давлении р; а и |3 — коэффициенты, зави­сящие от свойств материала проводника и, в меньшей степени, от техно­логии изготовления.

Наиболее часто для изготовления точных манганиновых манометров применяется сплав, состоящий из 84 % меди, 12 % марганца и 4 % нике­ля. Удельное сопротивление манганина такого состава составляет (4,2-4,8) • 10~7 Ом/м, что в 25 раз превышает удельное сопротивление меди. Это имеет существенное значение в технике высоких давлений, так как непосредственно влияет на размеры катушки сопротивления.

Значения коэффициентов уравнения измерений (4.15) колеблются в пределах: а= (40,3-41,2)- 109 Па; 0 = (11,5-15,0)- 109 Па. Доля второго члена уравнения (4.15), определяющего нелинейность, составля­ет от 0,01 % при р = 100 МПа до 0,8 % при р = 1 ГПа (10000 кгс/см2),

4.4. Резистивные деформационные манометры

резко возрастая при дальней­шем увеличении давления. При точных измерениях с по­грешностью менее 0,5—1 % требуется индивидуальная градуировка манганиновых манометров.

Диапазон давлений, изме­ряемых манганиновыми мано­метрами, составляет от 100 МПа (1000 кгс/см2) до 4 ГПа (40000 кгс/см2), погреш­ность измерений от 0,4 до 2,5 % (рабочие средства изме­рений) и от 0,2 до 0,6 % (об­разцовые средства измере­ний) . Долговременная ста­бильность (5—10 лет) и вос­производимость показаний хорошо изготовленных манга­ниновых манометров состав­ляют ±0,2 % каждая. Влияние температуры определяется из­менением электросопротивле­ния, которое в среднем со­ставляет 0,01 % на 1°С.

Рис. 41. Манганиновый манометр

Манометры сопротивле­ния практически не примени­мы при давлениях менее 50 МПа из-за относительно низ­кого тензоэффекта при все­стороннем сжатии проводни­ка. Например, прир = 50 МПа изменение сопротивления манганина составляет AR/R0 = — 0,125 %, что соизмеримо с

влиянием изменения температуры на ±5°С (0,05 %). Поэтому при изме­рении малых и средних давлений производится предварительное преоб­разование давления в деформацию УЧЭ, которая создает в материале тен-зорезистора требуемые растягивающие или сжимающие усилия. При этом уменьшение давления компенсируется увеличением геометричес­ких размеров УЧЭ и уменьшением толщины его стенок.

На этом принципе основано подавляющее большинство проволоч­ных тензореэистивных манометров. Находят применение как наклеи­ваемые на поверхность УЧЭ проволочные тензорезисторы, так и „сво­бодные" тензорезистивные преобразователи, в которых деформации подвергаются ненаклеенные проволочные нити. Различаются также мано-

метры с тензорезисторами, закрепленными непосредственно на поверх­ности УЧЭ и закрепленными на балочке, на которую действует развива­емая" под действием на УЧЭ давления сила. Примеры некоторых конст­руктивных решений приведены на рис. 42.

/    2

4.4. Резистивные деформационные манометры

Рис. 42. Проволочные тензорезисторные манометры

Одна из таких конструктивных схем положена в основу тензомоду-ля преобразователя избыточного давления типа Темп-21ДИ-М1 на основе литых микропроводов. Тензомодуль (рис. 42, а) содержит упругий чув­ствительный элемент 4, выполненный в форме пустотелого цилиндра с перегородкой в средней части, который на торцах имеет фланцы 2 и 6. Через фланец 1 внутрь УЧЭ подается измеряемое давление, фланец 2 име­ет отверстие для сообщения второй половины УЧЭ с атмосферным давле­нием. На наружной поверхности цилиндра размещены четыре тензорезис-тора. два из которых, воспринимающие деформацию цилиндра под дей­ствием давления, составляют активные плечи моста сопротивлений, а два других 5 — пассивные плечи, предназначенные для температурной ком­пенсации нуля мостовой схемы. Тензорезисторы укреплены на цилиндре с помощью специального цемента и защищены от воздействия окружаю­щей среды герметичным кожухом 3.

Мостовая схема выдает электрический сигнал постоянного тока, ко­торый преобразуется в пропорциональное напряжение переменного тока и после усиления вновь преобразуется в токовый выходной сигнал 0—5, 0—20 или 4—20 мА. Электронный блок содержит также масштабный де­литель, который позволяет ступенчато изменять коэффициент усиления выходного сигнала мостовой схемы. Благодаря этому один и тот же УЧЭ

охватывает четыре диапазона давлений. Выпускаются три модели преоб­разователя, которые обеспечивают верхние пределы измерений, МПа:

2160..-. 1,0; 1,6; 2,5; 4,0

2170 6   ; 10 ; 16 ; 25

2180 …. 40 ; 60 ; 100;160

Пределы основной допускаемой погрешности составляют 0,25; 0,5 и 1,0 от верхнего предела измерений.

Преобразователь предназначен для работы при температуре окружа­ющего воздуха от -30 до +80°С. Габаритные размеры 130X185X45 мм, масса не более 1 кг.

Для измерения давлений менее 1 МПа (10 кгс/см2) может быть ис­пользован тензопреобразователь балочного типа. Преобразователь (рис. 42, б) содержит закрепленную на фланце 1 мембрану 2 с жестким цент­ром, которая преобразует давление в силу, передаваемую благодаря стержню 3 на упругую балку 4. Закрепленные на балке тензорезисторы 5, один из которых испытывает растягивающие напряжения, а другой — сжимающие напряжения, включены в мостовую схему. Возможности данной схемы при понижении диапазона измерений давления в принципе неограничены.

Общий недостаток конструкций с наклеиваемыми проволочными тензорезисторами — нестабильность закрепления последних на деформи­руемой поверхности, особенно при воздействии повышенных темпера­тур. С этой точки зрения предпочтительнее „свободные" тензорезистив-ные преобразователи, которые почти полностью совмещают функции упругого элемента и тензорезистора, обеспечивая высокую собственную частоту и хорошую стабильность нуля, так как жесткость других упру­гих элементов (мембраны, сильфона и пр.) в этом случае выбирается су­щественно меньшей.

Преобразователь указанного типа (рис. 42, в) содержит защемлен­ную по краям мембрану 3, на которой закреплены стержни 1 и 4. На кон­цах стержней смонтированы „свободные" проволочные тензорезисторы 2 и 5. Под действием разности давлений мембрана деформируется, бла­годаря чему стержни поворачиваются з разные стороны, увеличивая на­тяжение одного из тензорезисторов и уменьшая натяжение другого. На выходе мостовой схемы, активными плечами которой являются оба тен­зорезистора, возникает выходной электрический сигнал, преобразуемый далее обычными способами.

Если стержни закреплены на расстоянии г = R/y/T от центра мем­браны, то угол их поворота

±^.-_£1.р,                                  (4.16)

где R — радиус мембраны; h — толщина мембраны; Е — модуль упругос­ти материала; ц — коэффициент Пуассона.

При жесткости нитей, существенно превышающей жесткость мембра­ны, поворот стержней практически не происходит вследствие компенса­ции момента со стороны мембраны моментом сил натяжения нитей.

Следует отметить, что все проволочные тензорезисторы имеют отно­сительно низкие выходные сигналы (по сравнению с индуктивными и емкостными преобразователями).

Одним из существенных недостатков проволочных тензорезисторов является небольшая теплоотдача материала проволоки, так как площадь теплоотдачи составляет половину цилиндрической поверхности проволо­ки. Поэтому возможности миниатюризации ограничиваются допускае­мым уменьшением диаметра проволоки, который обычно составляет не менее 20—30 мкм. Гораздо большие возможности предоставляет техника изготовления тензорезисторов из металлической фольги, которая к нас­тоящему времени достаточно хорошо испытана и отработана. Типичная конструкция фольгового тензорезистора (рис. 43, а) состоит из тонкой

4.4. Резистивные деформационные манометры

Рис. 43. Фольговый тензорезистор

металлической фольги 1, выполненной в виде петлеобразной решетки, которая специальным клеем закреплена на подложке 2 из изоляционно­го материала. К расширенным концам решетки припаиваются проволоч-

ные токосъемники 3, а сверху на решетку наносится изоляционное по­крытие 4 для защиты от воздействия окружающей среды. Сопротивле­ние резистора определяется базой /, числом последовательно соединен­ных полосок фольги и их поперечным сечением. В качестве материала фольги обычно применяют константан, подложки — бакелитовую или эпоксидную смолу. Для изготовления фольговых тензорезисторов и их закрепления на поверхности УЧЭ используются в зависимости от усло­вий работы (температуры, влажности, агрессивности среды) различные клеящие составы, затвердевающие в горячем состоянии.

Толщина h фольги обычно составляет 3—10 мкм, а ширина Ъ = 0,1 мм и более. Поэтому по сравнению с проволочными тензорезисторами во много раз увеличивается теплоотдача, а, следовательно, уменьшается на­грев тензорезистора при прочих равных условиях. Коэффициент тензо-чувствительности составляет к — 2,1—2,3 (для константана). Размеры тензорезисторов могут быть доведены до / = 2—3 мм.

Тензорезисторы закрепляются непосредственно на поверхности УЧЭ или на упругую балочку, связанную с УЧЭ жестким стержнем, и включа­ются в мостовую схему. Манометры, основанные на указанном принци­пе, позволяют измерять давление с высокой точностью. Так, цифровой манометр „Diptron 2" фирмы „Wallance & Tiernan" (ФРГ) предназначен для измерения давления с погрешностью 0,05 %. Манометр (рис. 43, б) содержит сильфон 1, преобразующий измеряемое давление р в усилие, которое с помощью стержня 2 изгибает упругую балку 4. Пропорцио­нальная давлению деформация воспринимается тензорезисторами 3, включенными в мостовую схему, причем два резистора работают на рас­тяжение, а два других — на сжатие. Усилителем 1 (рис. 43, в) выходной сигнал усиливается и после преобразований поступает на цифровое табло указателя 2. Одновременно происходит преобразование в аналоговый и кодовый выходные сигналы.

Узлы измерительного механизма, усилителя, блока питания и пока­зывающего устройства помещены в общий корпус. Габаритные размеры 120X150X230 мм, масса 4 кг. Манометр изготовляется на диапазоны из­мерений от 0—0,1 бар (0 — 10 кПа) до 0—25 бар (0 — 2,5 МПа) и предна­значен для измерения избыточного давления и разрежения. Погрешность измерений, включая нелинейность и гистерезис, 0,05 % верхнего предела измерений. Влияние изменений температуры в диапазоне 10—40° С не превышает ±0,005 % на 1°С.

Несмотря на ряд очевидных достоинств (высокая точность, хорошая долговременная стабильность, высокая собственная частота, примени­мость для изготовления небольших серий) фольговые тензорезисторы имеют также и недостатки: относительную дороговизну в связи с жест­кими допусками на изготовление; невысокую тензочувствительность, свойственную всем металлическим тензорезисторам — 2), что требует соответствующего усиления; ограниченные диапазон температур и воз­можности миниатюризации.

Тонкопленочные тензорезисторы. Дальнейшие возможности разви­тия тензорезистивных манометров предоставила тонкопленочная техни-

ка, получившая в последнее время распространение в различных облас­тях микроэлектроники, в которой в отличие от фольговой техники пе­ред нанесением на подложку проводящего материала тензорезисгоров на поверхность УЧЭ наносится изоляционный слой толщиной в несколько мкм, затем низкоомные проводники монтажной схемы и в последнюю очередь сам тензорезистор. При этом применяются методы напыления в вакууме, плазменной активации паров требуемых химических веществ и пр., которые позволяют наносить не только металлические пленки, но и поликристаллические материалы с повышенным коэффициентом тензочувствительности {к — 30—50). Все это позволяет существенно уменьшить размеры УЧЭ при одновременном уменьшении диапазона измерений. Однако сложность технологии изготовления требует значи­тельных затрат на оборудование. Поэтому изготовление тонкопленоч­ных тензорезисторов рентабельно только при условии их массового про­изводства.       —

В отличие от металлических тензорезисторов, сопротивление кото­рых изменяется вследствие деформации поперечного сечения, в полупро­водниковых тензорезисторах чувствительным к натяжению является удельное сопротивление, которое занимает очень широкий диапазон зна­чений. Если удельное сопротивление проводников находится в диапазо­нах от 10~5
до’10"8 Ом.м, а диэлектриков от 1010 до 1016
Ом.м, то диа­пазон удельных сопротивлений полупроводников простирается от 10"s до 104, т. е. охватывает почти 10 порядков. Помимо этого сопротивле­ние полупроводников существенно зависит от содержания в них приме­сей, подбором которых можно изменять сопротивление в нужном на­правлении. Примеси, которые создают в полупроводнике свободные электроны, называют донорными, а сам полупроводник называют п-типа

(от „негатив" — отрицательный). Примеси, которые захватывают валент­ный электрон и при этом у одного из атомов полупроводника возникает „дырка", называют акцепторными (принимающими), а проводимость про­водника р-типа (от „позитив" — положительный). Количество свобод­ных носителей зарядов (электронов и дырок) определяет проводимость, а, следовательно, и удельное сопротивление полупроводника. При этом чувствительность удельного сопротивления полупроводникового тензо-резистора к его деформации существенно выше, чем изменение сопро­тивления под влиянием изменения поперечного сечения. Поэтому коэф­фициент тензочувствительности (4.14) полупроводникового тензорезис-тора практически равен к = т. Если для металлических тензорезисторов коэффициент тензочувствительности к = 2, то коэффициент тензочувст­вительности кремния к = 125-135 при р-проводимости и к = -(100-

—130) при и-проводимости. Это позволяет существенно упростить аппара­туру для усиления выходного сигнала,

Конструктивное выполнение полупроводниковых тензорезисторов аналогично тонкопленочным тензорезисторам (рис. 43, а). Те же техно­логические приемы применяются и при изготовлении полупроводнико­вых тензорезисторов. При этом используются два основных способа:

полупроводниковый кремниевый тензорезистор наносится на изоли­рующую сапфировую подложку (КНС структура);

полупроводниковый кремниевый тензорезистор с р-проводимостью наносится на кремниевую подложку с n-проводимостью (КНК струк­тура) .

В зависимости от конструктивного исполнения полупроводниковые тензорезистивные преобразователи применяются для измерения абсолют­ного и избыточного давления (разряжения) и разности давлений.

В нашей стране серийно изготовляются полупроводниковые преоб­разователи типа „Сапфир-22", основанные на КНС структуре.

Схема преобразователя „Сапфир-22ДИ", предназначенного для изме­рения избыточного давления, представлена на рис. 44. Мембранный полу-

4.4. Резистивные деформационные манометры

4.4. Резистивные деформационные манометры

Рис. 44. Преобразователь „Сапфир-22ДИ’:  Рис. 45. Преобразователь „Сапфир-22ДА"

проводниковый тензопреобразователь 3 размещен внутри основания 9. Внутренняя полость 4 тензопреобразователя заполнена кремнийоргани-ческой жидкостью и отделена от измеряемой среды металлической гоф­рированной мембраной 6, приваренной по наружному контуру к основа­нию 9. Измеряемое давление подается в камеру фланца 5. Между основа­нием 9 и фланцем 5 помещена уплотняющая прокладка 8. Полость 10 сообщена с окружающей атмосферой.

Измеряемое давление воздействует на мембрану 6 и через жидкость передается на мембрану тензопреобразователя 3, вызывая ее прогиб и соответствующее изменение сопротивления тензорезисторов, соединен­ных в мостовую схему. Электрический сигнал по проводам через герме­тичный вывод 2 поступает в электронный блок 1, который содержит корректоры для плавной подстройки диапазона и нуля выходного сигна­ла. При измерении абсолютного давления полость 10 откачивается и гер­метизируется. Как при измерении избыточного давления, так и абсолют­ного давления в данной конструкции измеряемое давление воздейству­ет через жидкость непосредственно на мембрану тензопреобразователя.

Для измерения абсолютных давлений не более 250 кПа применяется преобразователь „Сапфир-22ДА" (рис. 45). В отличие от предыдущего здесь применен мембранно-рычажный тензопреобразователь 4, который размещен внутри основания 9 и отделен от измеряемой среды металли­ческой гофрированной мембраной 8, а от вакуумированной полости 12 металлической мембраной 14. Обе мембраны по наружному контуру приварены к основанию 9 и соединены между собой центральным што­ком 6, который связан с концом рычага 5 тензопреобразователя с по­мощью упругой тяги 13. Внутренние полости основания также вакууми-рованы. Фланцы 10 nil уплотнены на основании 9 прокладками 3.

Измеряемое абсолютное давление подается в камеру 7. При этом по­следовательно происходят прогиб мембран 8 и 14, изгиб мембраны тен­зопреобразователя 4 и изменение сопротивления тензорезисторов. Элек­трический сигнал от тензопреобразователя передается по проводам че­рез герметичный вывод 2 на электронный блок 1.

Аналогичная конструкция используется для измерения разности дав­лений (рис. 46). В отличие от предыдущей внутренняя полость основа­ния 4 между мембранами 3 заполнена кремнийорганической жидкостью. Воздействие измеряемой разности давлений, большее из которых подает­ся в камеру 2, меньшее — в камеру 5, вызывает прогиб мембран 3, изгиб мембраны тензопреобразователя 1 и изменение сопротивления тензоре­зисторов. Измерительный блок выдерживает без разрушения воздейст­вие односторонней перегрузки избыточным давлением. Это обеспечива­ется тем, что торцевые поверхности основания 4 профилированы одина­ково с поверхностями мембран 3.

Преобразователи „Сапфир-22" имеют унифицированное электронное устройство, преобразующее электрический сигнал тензорезисторного моста в аналоговый стандартный сигнал 0—5 или 0—20 или 4—20 мА по­стоянного тока. Электрическое питание преобразователей осуществляет­ся от источника питания постоянного тока напряжением (36±0,72) В. Преобразователи предназначены для работы при температуре от 5 до 50°С, по требованию заказчика возможно расширение диапазона темпе­ратур от —20 до +80°С. Пределы допускаемой основной погрешности ±0,25 % и ±0,5 %, верхние пределы измерений от 0,25 кПа до 100 МПа.

Зарубежные полупроводниковые преобразователи в основном ис­пользуют тензорезисторы с КНК структурой. Одна из ведущих в этой области фирма „Druck Ltd" (Англия) освоила промышленный выпуск

4.4. Резистивные деформационные манометры

полупроводниковых датчиков в комплекте с вторичными пока­зывающими приборами типа DPJ 220 с цифровым отсчетом. Мано­метр отличается высокой точ­ностью. Суммарная погрешность, вызываемая нелинейностью, гис­терезисом и воспроизводи­мостью показаний, не превышает 0,1 % верхнего предела измере­ний. Долговременная стабиль­ность составляет ±0,02 % за три месяца, температурный коэффи­циент ±0,01 % на 1°С. Диапазо­ны измерений: от 0—7,5 кПа до 0—50 МПа при измерении избы­точного давления; от 0— 17,5кПа до 0—3,5 МПа при измерении разности давлений; от 0—35 кПа до 0—50 МПа при измерении аб­солютного давления.

Рис.   46.  Преобразователь для  измерения разности давлений

Контрольный вопрос № 7

Что определяет тензочувствительность резистивных полу­проводниковых тензодатчиков к давлению — изменение геомет­рических размеров тензорезистора или изменение удельного электрического сопротивления материала тензорезистора?

Если Вы считаете изменение геометрических размеров, то см. с. 108, если — изменение удельного электросопротивления, то см. с. 110.

При этом достигнут хороший уровень миниатюризации. Масса вто­ричного прибора составляет 0,6 кг, габаритные размеры 100X45X200мм. Питание осуществляется от сети переменного тока 220 В, аналоговый то­ковый выходной сигнал 4—20 мА.

Преимуществами тензорезистивных полупроводниковых преобразо­вателей является: высокий коэффициент тензочувствительности; воз­можность миниатюризации чувствительного элемента; непосредственное применение достижений современной микроэлектроники.

К недостаткам полупроводниковых преобразователей относятся: сложность технологии изготовления ЧЭ, что неприемлемо при мелкосе­рийном производстве; хрупкость ЧЭ, что ограничивает их применение в условиях сотрясений, скачков давления; относительно большое влияние

температуры на коэффициент тензочувствительности. Последнее осо ен-но важно для тензорезисторов, основанных на КНК структурах, макси­мальная температура эксплуатации которых ограничена 120°С.

4.3. Манометры со свободным перемещением УЧЭ

В данном разделе рассматриваются деформационные манометры, в которых УЧЭ преобразует давление в перемещение его заданной точки (жесткий центр, наконечник трубчатой пружины и пр.). Затем указанное перемещение посредством передаточно-множительного механизма преоб­разуется в удобную для потребителя форму информации об измеряемом давлении, как правило, перемещение указателя относитель шкалы или пера самописца относительно диаграммы.

Наиболее распространенным манометром этого типа является дефор­мационный манометр с одновитковой трубчатой пружиной (рис. 36). Из­мерительная система маномет-

Ю      _,____________ ра   содержит   одновитковую

4.3. Манометры со свободным перемещением УЧЭ‘              трубчатую   пружину  1,   один

Рис. 36. Деформационный манометр с одно­витковой трубчатой пружиной

конец которой герметично со­единен с держателем 7, а на другой конец с наконечником 5 смонтирована тяга 6, кото­рая шарнирно соединена с зуб­чатым сегментом 4. Переме­щение наконечника трубчатой пружины преобразуется во вращение оси стрелочного указателя 2 с помощью наса­женной на ось трубки 3 указа­теля, находящейся в зацепле­нии с зубчатым венцом сег­мента 4. При возрастании дав­ления, подаваемого внутрь трубчатой пружины, послед­няя разгибается, и стрелочный указатель поворачивается по часовой стрелке относительно шкалы 9, нанесенной на ци­ферблат, закрепленный на корпусе 10 манометра. Для корректировки угла поворота указателя относительно шкалы длины плеч шарнирно-ры-чажного механизма, состоящего из тяги б и зубчатого сегмента 4, юсти­руются зажимными винтами. Штуцером 8 манометр присоединяется к источнику давления.

В зависимости от требуемой точности измерений и назначения сте­пень сложности передаточного механизма и габаритные размеры мано­метра варьируются в широких пределах. Например, для обеспечения тре­буемой точности отсчета длина шкалы манометров типа МО классов 0,15-0,25 составляет не менее 500 мм
при диаметре корпуса 250 мм, в то время как у манометров классов 2,5—4 диаметр корпуса равен 40-60 мм. Для устранения люфта зубчатой передачи иа оси стрелки монтиру-

ются натяжные спиральные пружинки. В наиболее точных приборах пре­дусмотрены меры по частичной компенсации влияния температуры. Су­щественно также различаются требования^ к качеству изготовления де­талей и материалам УЧЭ.

Для удовлетворения потребностей народного хозяйства страны оте­чественная приборостроительная промышленность ежегодно выпускает около 10 млн. общепромышленных манометров с трубчатой пружиной классов точности 0,6; 1,0; 1,6; 2,5 и 4 с верхними пределами измерений от 0,1 до 100 МПа, а также десятки тысяч образцовых деформационных манометров и вакуумметров типов МО и ВО классов точности 0,15; 0,25 и 0,4 с верхними пределами измерений от —0,1 до +60 МПа.

Отличительная особенность манометров МО и вакуумметров ВО со­стоит в использовании „условной шкалы", отметки которой соответству­ют не единицам давления („именованная шкала"), а условным едини­цам, причем одна условная единица равна цене деления шкалы. Шкала манометров МО классов 0,15 и 0,25 содержит 400 условных единиц, • класса 0,4 — 250 условных единиц (делений). Поэтому для каждого ма­нометра при градуировке составляются таблицы, в которых на поверя­емых отметках указано давление и соответствующее ему число услов­ных единиц (отметок шкалы). Градуировка производится отдельно: при повышении и понижении давления. Показания на промежуточных отметках отсчитываются путем интерполяции. Манометры предназначе­ны для измерений при температуре окружающей среды от 5 до 40°С. В результате измерений вводится температурная поправка hpt — Р X X (20°С — г) или 8Р{ = тя (20°С — t), где7£
= (3-5)- 10"4 ^С"1 -температурный коэффициент модуля упругости материала трубчатой пружины.

Для манометров МО классов 0,15 и 0,25 с верхними пределами изме­рений от 0,1 до 2,5 МПа уЕ = 4 • 10~4 "С"1, от 4 до 60 МПа -уЕ
= 3 X X 10"4 "С"1, что при изменении температуры на 10° С соответственно составляет 0,4 и 0,3 %. Манометры снабжены корректором нулевого положения стрелки. Дополнительная погрешность после введения темпе­ратурной поправки составляет ±0,256Pf (0,1 и 0,075 % соответственно).

Широкое применение, особенно при измерении относительно неболь­ших давлений (менее 1 МПа), находят также мембранные манометры. Одна из типичных конструкций деформационных манометров с мем­бранным УЧЭ представлена на рис. 37. Манометр содержит гофрирован­ную мембрану 9, герметично закрепленную между фланцами 8 и 10, жесткий центр 7 которой шарнирно соединен с тягой 6. Перемещение мембраны под действием давления, подаваемого через штуцер фланца 10, шарнирно-рычажным механизмом и зубчатым сегментом 4 с трубкой, насаженной на ось 3, преобразуется в угловое вращение стрелки 2 отно­сительно шкалы, нанесенной на циферблат 11, который смонтирован на корпусе 5 манометра. Передаточный механизм и стрелка монтируются на жестко связанную с корпусом стойку 1.

Отличительная особенность конструкции манометра — защита мем­браны УЧЭ. от перегрузок давлением, благодаря ограничению перемеще-

4.3. Манометры со свободным перемещением УЧЭ

ния мембраны плоской поверх­ностью фланца 8. Преимущество мембранных манометров — хоро­шая стабильность нулевого поло­жения стрелки при изменениях температуры окружающей среды. Однако любая мембрана, в том числе и гофрированная, обладает приемлемой линейностью при от­носительно небольшом рабочем ходе, соизмеримым с толщиной мембраны. Поэтому в манометрах этого типа применяются переда­точные механизмы с большим пе­редаточным отношением, точность которых во многом определяет метрологические характеристики манометров.

Рис.

37. Деформационный манометр с мембранным УЧЭ

Для измерения атмосферного и абсолютного давления воздуха в метеослужбе широко исполь­зуются приборы с УЧЭ, в которых применяются мембранные короб­ки и блоки последовательно со­единенных мембранных коробок

для увеличения рабочего хода УЧЭ. Например, в барометре типа М-98 в качестве УЧЭ применен блок, состоящий из двух последовательно соеди­ненных коробок. Перемещение жесткого центра блока с помощью шар-нирно-рычажного механизма преобразуется во вращательное движение стрелки относительно шкалы. В отличие от передаточных механизмов с зубчатым зацеплением для вращения стрелки (см. рис. 36 и 37) в баро­метре М-98 стрелка вращается шарнирно-пластинчатыми цепочками и роликом, закрепленным на оси стрелки. Для снятия механического тре­ния в шарнирах предусмотрен вибратор, питаемый от сети переменного тока.

Диапазон измерений барометра М-98 от 400 до 1080 гПа (300 -810 мм
рт.ст.), погрешность измерений не более ± 1,5 гПа (± 1 мм рт.ст.), что соответствует 0,15 % верхнего предела измерений. Шкала баро­метра именованная (мм рт.ст.), однако как и для манометров МО класса 0,15 необходима индивидуальная градуировка каждого баромет­ра с целью определения шкаловых поправок. Барометр предназначен для эксплуатации при температурах окружающего воздуха от —20 до +50°С, при этом в его показания вводится температурная поправка ABt, завися­щая как от температуры окружающей среды, так и от измеряемого дав­ления В: ABtj=-k -t + у(75О — В) (t — 20°С), где t — температура окружа­ющей среды. С: В — атмосферное давление, мм рт.ст.; к — температур­ный коэффициент. °С~1; 7 — коэффициент компенсации. сС-мм рт.ст.

зависимости от качества выполнения температурной компенсации *<±0,15ммрт.ст./°С (0,02%на1°С); т=(1-5)- 10~4 °С~1 — ммрт.ст.

Один’из простейших путей совершенствования передаточных меха­низмов состоит в замене шарнирных соединений типа ось—втулка, обус­ловливающих механическое трение, а следовательно, и связанное с ним ухудшение вариации показаний и порога реагирования на упругие шар­ниры. К приборам этого типа относится деформационный манометр с мембранной коробкой типаFА-141 фирмы „Wallance &Tiernan" (ФРГ). Манометр содержит мембранную кОробку, тягу с противовесом, упру­гий шарнир, зубчатый сегмент, трубку, насаженную на ось стрелочного указателя, натяжную пружину с регулировочной головкой и штуцер, ко­торые смонтированы на плате корпуса манометра. Манометр снабжен также дополнительным штуцером для подачи в герметичный корпус опорного давления, которое зависит от вида измеряемого давления (из­быточное и абсолютное, разность давлений).

Разность давления внутри мембранной коробки, подаваемого через штуцер, и в корпусе вызывает линейное перемещение жесткого центра мембранной коробки, которое тягой и зубчатым сегментом, находя­щимся в "2цеплении с трубкой, преобразуется в угловое перемещение стрелочного указателя относительно шкалы манометра. Передаточный механизм, за исключением опоры вращения оси стрелки, содержит упру­гие направляющие, что дает минимальные потери на трение. Натяжная пружина, обеспечивая постоянный контакт между сопрягающимися элементами передаточного механизма, позволяет с помощью регулиро­вочной головки производить точную установку стрелки на нулевую от­метку шкалы.

Манометром измеряют абсолютное давление (кбрпус манометра при этом откачивается), избыточное давление (корпус сообщается с атмосферным давлением) и разность давлений, большее из которых по­дается внутрь мембранной коробки, а меньшее — в корпус манометра. При измерении разрежения (отрицательного избыточного давления), наоборот, атмосферное давление подается внутрь мембранной коробки, а разрежение — в корпус манометра. Во всех случаях избыточное давле­ние в корпусе манометра не должно’превышать 0,1—1 МПа (в зависимос­ти от модификации манометра она указывается на циферблате). Корпус манометра снабжен защитным клапаном, который автоматически отклю­чает корпус от источника давления при достижении предельно допусти­мой величины.

Наибольшая точность достигнута манометрами серии 1500 (погреш­ность измерений не более 0,066 % верхнего предела измерений). Это в два раза лучше, .чем точность отечественных образцовых манометров ти­па МО класса 0,15. Следует, однако,.отметить, что обеспечивая по прин­ципу действия измерения в диапазоне малых давлений (до 0—15 гПа), мембранные манометры при давлениях свыше 2—5 МПа становятся ме­нее чувствительными, чем манометры типа МО с трубчатой пружиной.

Использование корпуса манометра для подвода на УЧЭ меньшего давления для измерения разности давлений, как это сделано в маномет-

pax типа FA-141, ограничено небольшими статическими давлениями (менее 1 МПа), так как при увеличении статического давления резко возрастают требования к прочности корпуса и смотрового стекла. Иног­да для измерения разности давлений применяют два УЧЭ, в каждый из которых подается свое давление pi и р2.

В дифференциальном манометре типа 001 фирмы „Wika" (ФРГ) в качестве УЧЭ применены две трубчатых пружины, одна из которых сообщает вращение стрелке относительно основной шкалы, вторая — вращение дополнительной шкалы относительно основной. Это позво­ляет одновременно измерять рх и р2, а также их разность Др pi — р2. Однако указанным способом нельзя достигнуть высокой точности из­мерений, особенно при больших статических давлениях (pi ир2). По­грешность манометра типа 001 при измерении р\ и р2 составляет 2,5 % верхнего предела измерений, а погрешность измерения разности резко возрастает по мере ее уменьшения по сравнению с pi и р2. Указанное относится ко всем приборам с механическими преобразователями пе­ремещения УЧЭ во вращательное движение стрелки при измерении раз­ности давлений при высоких статических давлениях.

* Контрольный вопрос № 6

Влияет ли вид’измеряемого давления — абсолютное и из­быточное, разность давлений — на принципиальную схему и конструкцию деформационного манометра?

Если „да" — см. с. 92, если „нет" — см. с. 96.

В последние десятилетия все большее распространение стали нахо­дить методы преобразования перемещения УЧЭ, основанные на измере­нии электрических величин, и, прежде всего, электромагнитные и элект­ростатические преобразователи, а также реостатные преобразователи и ДР-

В технике измерения давления находят применение индуктивные и трансформаторные (взаимоиндуктивные) электромагнитные преобразо­ватели.

Индуктивными преобразователями называются преобразователи, преобразующие перемещение в изменение индуктивности магнитной це­пи. Принцип действия преобразователя заключается в следующем (рис. 38). Преобразователь содержит (рис. 38, а) магнитопроводы 7 и 2 с ка­тушками Zi и Z2, между которыми помещен жесткий центр 3 мембра­ны. Катушки питаются напряжением переменного тока и включены в ин­дуктивный мост, два дополнительных плеча которого составляют посто­янные сопротивления Z3 и Z4. В равновесном положении мост сбаланси­рован и сила тока /к в диагонали моста равна нулю. При воздействии на мембрану давления жесткий центр сместится, что приведет к увеличению магнитного сопротивления магнитопровода 1 и уменьшению сопротивле­ния магнитопровода 2, а вместе с тем и их полных электрических сопро­тивлений Zt и Z2
В результате разбаланса моста по диагонали последне­го потечет ток /к, пропорциональный перемещению центра мембраны, а следовательно, давлению.

Рис.   38.  Принцип действия индуктивного преобразователя

4.3. Манометры со свободным перемещением УЧЭ

4.3. Манометры со свободным перемещением УЧЭ

Рис. 39. Схема дифференкиального датчика разности давлений фирмы „Hartman & Braun"

Pi      — =

Демодулятор

4.3. Манометры со свободным перемещением УЧЭ

Электрическое сопротивление каждой из катушек связано с переме­щением б гиперболической зависимостью (рис. 38, б), которая имеет ярко выраженный-нелинейный характер: Zx =/i (б) и Z2 =/2 (б), при­чем комплексное сопротивление катушек изменяется противофазно. Дифференциальная схема индуктивного преобразователя, выходным па­раметром которой является разность Z\ — Z2, расширяет линейный учас­ток до Дб = ± (0,3—0,4) б0, а также существенно повышает чувствитель­ность ez = AZ/Z преобразователя, которая позволяет фиксировать 0,1 мкм по перемещению жесткого центра.

По принципу действия индуктивные преобразователи пригодны для измерения любого вида давления: абсолютного, избыточного и разности давлений. При этом достоинством индуктивных преобразователей явля­ется отсутствие механических устройств для вывода выходного сигнала УЧЭ к промежуточным преобразователям, что обусловливает отсутствие потерь на трение в передаточном механизме. Поэтому индуктивные пре­образователи пригодны для измерения небольших разностей давлений при высоком статическом давлении с хорошими динамическими харак­теристиками.

На рис. 39, а представлена конструктивная схема дифференциально­го датчика разности давлений фирмы „Hartman & Braun" (ФРГ). Датчик содержит включенные противофазно катушки индуктивности 1 и 5, меж­ду которыми фланцами 2 и 4 закреплена мембрана 3. Мембрана и флан­цы образуют две измерительные камеры, в которые подаются измеряе­мые давления pt и р2. Под действием разности давлений р\ -р2 мембра­на прогибается, изменяя при этом магнитное сопротивление, а следова­тельно, индуктивности катушек, образующих полумост. При помощи выводов А, Б и В датчик подключается к постоянным сопротивлениям Z3 и Z4
демодулятора (рис. 39, б), образуя полный мост, индуктивность которого в диапазоне измерений разности давлений измеряется от 5 до 100 мГн. Измерительная система питается от генератора 4 переменным током частотой 3 кГц. Выходной сигнал моста усиливается фазочувстви-тельным усилителем 1 и преобразуется выпрямителем 2 в выходной то­ковый сигнал /вых (±3 мА), поступающий на светопечатающее регистри­рующее устройство и аналоговое напряжение £/вых (0—5 В), которое по­дается на показывающий вторичный прибор или устройство магнитной записи. Фильтры 3 очищают выходные сигналы от искажений, внесенных при промежуточных преобразованиях.

Фирма выпускает датчики типа EOSE150 для измерения избыточно­го давления, типа EOSE153 — для измерения абсолютного давления,типа EOSE165 и EOSE70 — для измерения избыточного давления и разности давлений. Технические характеристики датчиков приведены в табл. 10.

К контрольному вопросу № 6

Вы ответили правильно. Если при этом Вы особо подчерк­нули, что при измерении избыточного давления в манометре до­статочно предусмотреть одну измерительную камеру, а при из­мерении абсолютного давления и разности давлений — две изме­рительные камеры, то смело можете переходить к изучению по­следующего материала.

Таблица   10

 

 

Числовое значение характеристики датчика типа EOSE

Техническая характеристика

 

 

 

 

 

150, 1150*

153

165, 1165*

70

Верхние пределы измере-

От 0,005

От 0,035

От 21

От 0,014

ний, МПа

до 14

до 3,5

до 42

до 2,8

Максимальное статичес-

21

От 0,07

55

7

кое давление, МПа

 

ДО 7

 

 

Линейность, %

±0,2

±0,25

±0,5

±0,5

Гистерезис и воспроизво-

±0,2

±0,2

, ±0,5

±0,5

димость, %

 

 

 

 

Диапазон рабочих темпе-

От-40

От-40

От-40

От-40

ратур,   С

До+80

до+80

до+80

до+80

 

от-60

 

от-60

 

 

до +200*

 

до +200*

 

Влияние температуры на:

 

 

 

 

стабильность нуля,

0,02

0,04

0,02

0,04

чувствительность,

•0,02

0,02

:    0,02    .

0,02

Габаритные размеры, мм

38X51X68

38X51X71

51X65X78

21X29X52

Масса, кг

0,14

0,17

0,50

0,08

 

0,37*

 

0,78*

 

* Корпус и детали датчика изготовлены из нержавеющей легированной стали для работы на агрессивных средах.

Дальнейшая миниатюризация индуктивных датчиков в принципе ог­раничена размерами катушек. Помимо этого, расположение катушек не­посредственно в измерительных камерах приводит к усилению влияния температуры. Несомненными достоинствами индуктивных датчиков яв­ляются: простота конструкции, хорошие динамические характеристики, высокие выходные сигналы, долговременная стабильность.

Простейший электростатический преобразователь (рис. 40, а) содер­жит два электрода в форме плоских пластин, расположенных параллель­но относительно друг друга, которые образуют конденсатор. Если одна из пластин имеет возможность перемещаться, то электрическая емкость С преобразователя обратно пропорциональна расстоянию между пласти-

нами

С=  е’s

(4.10)

где 5 — площадь пластины; б — диэлектрическая проницаемость среды, находящейся между пластинами;^ 5 — расстояние между пластинами.

Согласно (4.10) мерой перемещения является электрическая ем­кость, поэтому преобразователи этого типа называются емкостными.

При подключении к преобразователю источника переменного тока
через него потечет ток силой    

/ = со • С — Um ■itcos ot,                                 (4.11)

4.3. Манометры со свободным перемещением УЧЭ

В

Рис. 40. Электростатический преобразователь

где Um — напряжение переменного тока; w — круговая частота.

Так же, как и в индуктивных преобразователях, зависимость между емкостью и перемещением имеет нелинейный характер (гипербола). Для уменьшения нелинейности при измерении малых перемещений (от 1 мкм до 1 мм), как правило, применяются дифференциальные емкостные пре­образователи (рис. 40, б). Обкладка 2 закреплена на мембране 4, пере­мещение которой требуется измерить, обкладки / и 3 неподвижны. При перемещении обкладки 2 емкость между обкладками 1 и 2 увеличивает­ся, а между обкладками 2 и 3 уменьшается, или наоборот (в зависимос­ти от направления перемещения).

Дифференциальные емкостные преобразователи отличаются высо­кой чувствительностью (до 500 В/мм), малыми погрешностями и прос­тотой конструкции, особенно при измерении разности давлений. Зависи­мость электрического сопротивления преобразователя от перемещения мембраны практически линейна.

ьг-Ъ-Ъ-   JTs   ‘                                <4Л2>

где Дб — перемещение мембраны; Zx и Z? — электрические сопротивле­ния конденсаторов, образованных неподвижными обкладками и мембра­ной.

Включением в схему емкостного моста осуществляется дальнейшее преобразование перемещения мембраны в требуемые выходные сигналы.

Данный принцип измерений использован в мембранно-емкостном преобразователе давлений типа ПДД-1-10А, серийно выпускаемом в на­шей стране, который комплектуется показывающим вторичным прибо­ром типа ВД-1 с цифровым отсчетом. Одна из измерительных камер пре­образователя откачена до достаточного давления менее 10~3 Па (10~s
мм рт.ст.), в другую подается измеряемое абсолютное давление. Расстояние между неподвижными обкладками и мембраной составляет 0,1 мм. Циф­ровое табло- вторичного прибора позволяет отсчитывать результаты из­мерений в двух диапазонах: 1,3—173 Па (0,01—1,3 мм рт.ст.) и 173 Па — 1,33 кПа (1,3—10 мм рт.ст.). Погрешность измерений составляет 5—10 % в зависимости от диапазона, что для области вакуумных измерений обес­печивает высокую точность.

При измерении давления различных сред, в том числе и агрессивных, их попадание в измерительные камеры приводит к неопределенности ди­электрической проницаемости между обкладками преобразователя, что резко снижает точность измерений. В этих случаях емкостный преобразо­ватель изолируется от измеряемой среды разделительными мембранами. Типичным примером реализации данного принципа является емкостный преобразователь типа 1151ДР фирмы „Rosemount Inc", США (рис. 40, в). Он содержит измерительную мембрану 1, герметично закрепленную меж­ду втулками 5 и 10, в которые запрессованы керамические твердые под­ложки 3 и 12. На внутренние поверхности подложек нанесены тонкопле­ночные электроды 4 и 11. Измерительные камеры изолированы от сре­ды, давление которой измеряется, разделительными мембранами 6 и 9, имеющими относительно небольшую жесткость и защищенными крыш­ками 7 и 8. Пространство между разделительными и измерительной мем­бранами заполнено силиконовым маслом, что обеспечивает постоянство диэлектрической проницаемости и предохраняет измерительную мембра­ну от перегрузок давлением. Мембрана и электроды включаются в мос­товую схему с помощью экранированных проводов 2,13 и 14, выходной сигнал которой путем демоделирования и дальнейших преобразований поступает на показывающие или регистрирующие приборы, а также в системы регулирования и управления в форме унифицированного токо­вого сигнала 4—20 мА.

Преобразователи имеют диапазоны измерений разности давлений от 0-1,25 кПа (0—125 мм вод.ст.) до 0-200 кПа (0-2 кгс/см2) при ста­тическом давлении до 14 МПа (140 кгс/см2). Совместное влияние нели­нейности, гистерезиса и повторяемости приводит к погрешности не более ±0,2 %, долговременная стабильность показаний ±0,2 % за 6 мес.

К достоинствам емкостных преобразователей можно отнести высо­кую точность и чувствительность, простоту конструкции, возможность применения при высоких температурах (до 350° С) и малую инерцион­ность. Однако для обеспечения высокой точности требуются применение генераторов высокой частоты, защита от помех (специальные экраниро­ванные кабели, размещение электроники вблизи от преобразователя и пр.). Следует отменить, что зти меры существенно удорожат аппаратуру, необходимую для применения емкостных преобразователей, по сравне­нию с другими методами.

К контрольному вопросу № 6

Вы ошиблись. Еше раз внимательно просмотрите разд. 2.4, а также разд. 1.1.

Реостатные преобразователи основаны на изменении активного элек­трического сопротивления при перемещении заданной точки УЧЭ, кото­рое преобразуется в угловое или линейное перемещение токосъемника по контактной дорожке сопротивления. Недостатком преобразователей этого типа является связанное со взаимным перемещением механическое трение, что существенно ограничивает их точность. Помимо этого, для достижения приемлемой чувствительности требуется относительно боль­шое перемещение УЧЭ, что приводит к существенной нелинейности. По­этому реостатные преобразователи неприменимы для точных измерений давления.

Большие возможности для точного преобразования перемещения УЧЭ предоставляют оптические методы, а также применение фото-элект­рических следящих систем, которые осуществляют преобразование с высокой разрешающей способностью, полностью исключая механическое трение в передаточном механизме. Однако манометры этого типа весьма сложны по технологии изготовления и градуировке. Так, фирмой Texas Instr (США) выпускается манометр с УЧЭ, предоставляющим многовит-ковую винтовую трубчатую пружину, изготовленную из кварца. На оси УЧЭ с помощью проволочной растяжки закреплено зеркальце, поворот которого при изменении давления отслеживается фото-электрической следящей системой. При этом совмещение последней с положением зер­кальца осуществляется электродвигателем, число оборотов вала которо­го одновременно передается на механический цифровой счетчик, являю­щийся указателем давления. Высокая разрешающая способность следя­щей системы позволяет свести погрешность до 0,015 % верхнего предела измерений. При этом, несмотря на использование кварца в качестве ма­териала УЧЭ, необходимо термостатирование последнего. Манометры этого типа предназначены для точных измерений в лабораториях, а также для поверочных работ. Сложность и громоздкость конструкции в сочета­нии с высокой стоимостью препятствуют их широкому применению.

4.2. Упругие чувствительные элементы деформационных манометров (УЧЭ)

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 (рис. 33).

Мембрана (рис. 33, а) представляет собой упругую пластину в фор­ме диска, жестко закрепленную по наружному контуру, прогиб которой определяется действующим на нее давлением.

Мембранная коробка (рис. 33, б) состоит из двух гофрированных мембран, герметично соединенных по наружному контуру, что соответ­ственно увеличивает ее прогиб под действием давления.

Сильфон (рис. 33, в) имеет форму тонкостенного цилиндра, боковая поверхность которого гофрирована с целью увеличения его прогиба под действием давления. При большой глубине вытяжки гофр сильфона ста­новится идентичным батарее последовательно соединенных мембранных коробок.

Трубчатая пружина (рис. 33, г) представляет собой тонкостенную трубку, ось которой искривлена по дуге окружности. В отличие от пре­дыдущего трубчатая пружина под действием давления разгибается, а ее свободный конец перемещается по дуге.

В зависимости от назначения и области применения основные типы УЧЭ имеют многочисленные разновидности:

мембраны — плоские тонкостенные и толстостенные, с жестким центром, гофрированные, с предварительным натяжением;

мембранные коробки — сваренные по грибковой схеме, складываю­щиеся, блоки мембранных коробок;

4.2. Упругие чувствительные элементы деформационных манометров (УЧЭ)

Рис. 33. Основные типы УЧЭ

сильфоны — бесшовные, сварные, однослойные и многослойные;

трубчатые пружины — одновитковые круговые, многовитковые вин­товые и спиральные, 5-образные, витые, с эксцентрическим внутренним отверстием.

При преобразовании давления в перемещение основными метрологи­ческими характеристиками УЧЭ являются: упругая характеристика, не­линейность упругой характеристики, чувствительность и жесткость, гис­терезис и постоянство упругой характеристики.

Упругой характеристикой называется зависимость между перемеще­нием заданной точки упругого элемента и действующим на него давлени­ем 1 = у(р).

В зависимости от типа и конструкции УЧЭ его упругая характеристи­ка (рис. ЗА, а) может быть линейной или нелинейной (затухающей или возрастающей). Обычно при изготовлении УЧЭ стремятся к тому, чтобы его упругая характеристика была линейной, так как в зтом случае с по-мощьт-о простого передаточного механизма можно получить линейную по измеряемому давлению шкалу. Однако на практике, особенно при

4.2. Упругие чувствительные элементы деформационных манометров (УЧЭ)

Ртах

 Ьрц.        Aps Рис. 34. Характеристики УЧЭ

 Др2        Аръ

1
6

 

точных измерениях, всегда наблюдаются отклонения реальной упругой характеристики от линейной характеристики (рис. 34, а). Нелинейность упругой характеристики определяется по формуле г) — А1тах/1тах, где ^       — перемещение заданной точки УЧЭ при его нагружении максималь-

ным рабочим давлением; Д/тах — наибольшее отклонение упругой ха­рактеристики от прямой линии, соединяющей начальную и конечную от­метки.

Чувствительность, определяемая отношением приращения перемеще­ния заданной точки УЧЭ к соответствующему приращению давления

(рис. 34,6)8= Alj/Apt, является одной из важнейших метрологических характеристик. При прочих равных условиях чувствительность характе­ризует порог реагирования манометра и упрощает измерение размера перемещения.

Величина, обратная чувствительности, называется жесткостью: к =

Жесткость во многом определяет динамические свойства УЧЭ. Чем больше жесткость, тем меньше инерционность измерительной системы.

При применении УЧЭ в системах с силовой компенсацией различают два вида жесткости: жесткость по давлению кр и жесткость по силе kpj. Отношение этих величин имеет размерность площади и по аналогии с поршневыми  манометрами  называется эффективной площадью УЧЭ:

^p

Для нелинейных упругих характеристик эффективная площадь ме­няется при деформации УЧЭ под действием давления.

Указанные выше рабочие характеристики зависят от типа УЧЭ, его геометрических размеров, упругих свойств материалов и пр. В зависи­мости от геометрии мембраны (рис. 33, а) могут иметь по давлению как линейную, так и нелинейную упругую характеристики. Наиболее просты по форме плоские мембраны, имеющие затухающую упругую характеристику. Они используются там, где требуется небольшой рабо­чий ход (тензометрические, индуктивные и емкостные датчики). При ■©значительных перемещениях упругая характеристика плоской мем-1раны практически линейная

4.2. Упругие чувствительные элементы деформационных манометров (УЧЭ)4.2. Упругие чувствительные элементы деформационных манометров (УЧЭ)где R — радиус мембраны по внешнему контуру; h — толщина мембра­ны; Е — модуль упругости; ц — коэффициент Пуассона.

Упругая характеристика плоской мембраны с жестким центром при тех же условиях имеет вид

4.2. Упругие чувствительные элементы деформационных манометров (УЧЭ)где Ар = 1 — 1/fc4 — 4]пк/к2; к = R/r0; г0
радиус жесткого центра. В области весьма больших прогибов, когда мембрана работает в ос­новном на растяжение, упругая характеристика определяется кубичес­ким законом

4.2. Упругие чувствительные элементы деформационных манометров (УЧЭ)l=l,53R-\/ -£—р.                               (4.3)

Гофрированные мембраны, имеющие в отличие от плоских мембран волнообразный профиль, могут работать при значительно больших про­гибах. Причем, в зависимости от формы профиля упругая характеристи­ка мембраны может быть линейной, затухающей или возрастающей по давлению (см. рис. 34).

Эффективная площадь гофрированной мембраны с жестким цент­ром может быть определена по приближенной эмпирической формуле

^эф = ^- • (Д+Го)2,                (4.4)

которая существенно изменяется по мере перемещения жесткого цент­ра мембраны. Однако в условиях силовой компенсации (/ — 0) влияние на эффективную площадь изменения давления значительно меньше.

Сильфоны (рис. 33, в) представляют собой осесимметричную трубча­тую оболочку и могут совершать под действием давления значительные перемещения, причем его упругая характеристика близка к линейной, а эффективная площадь более постоянна, чем у мембран. Эффективная площадь сильфона приближенно может быть определена по эмпиричес­кой формуле

^4, = f- (Дн+Дв)2,                 (4.5)

где RH, i?B — наружный и внутренний радиусы сильфона, причем (RH — — /?в) равно глубине гофра.

Прогиб сильфона, нагруженного давлением, согласно определению понятия эффективной площади / = р/кр = (FЭф/fcЛr) ■ р.

Жесткость по силе для сильфона

kN
=  
„   Е.И-————————— ,      (4.6)

где Ajy — коэффициент, зависящий от относительной глубины гофра; к = Rh/Rs; п — число гофров; h — толщина стенки сильфона; Е — мо­дуль упругости.

Уравнение упругой характеристики с учетом (4.6) имеет вид

4.2. Упругие чувствительные элементы деформационных манометров (УЧЭ)4.2. Упругие чувствительные элементы деформационных манометров (УЧЭ)В отличие от аналогичного выражения для мембраны (4.1) прогиб сильфона так же, как и блока мембранных коробок, пропорционален числу гофр. Следует отметить,-что приведенные выше зависимости не от­вечают реальным характеристикам при измерениях высокой точности. В этих случаях они могут быть определены путем экспериментального исследования.

Наиболее распространенным типом трубчатых пружин (рис. 33, г) является одновитковая пружина, ось которой представляет собой дугу окружности с центральным углом 200—270 . Поперечное сечение трубки сплющено в направлении к центру круговой оси трубки, благодаря чему под действием давления, стремящемся вернуть сечению трубки форму круга, наружные слои трубки растягиваются, а внутренние — сжимаются. При этом поперечные сечения трубки поворачиваются против часовой стрелки, трубка разгибается, а ее конец соответственно смещается.

Относительный угол поворота конца трубчатой пружины под дейст­вием давления

Д7    _   1-м2    . п
у       ~     Е       U~

где 7 — центральный угол оси трубки; R — радиус оси изгиба трубки; а и Ъ — большая и малая полуоси поперечного сечения; /г — толщина стен­ки трубки; и и (5 — коэффициенты, зависящие от отношения полуосей а/b; х — R • /г/я2 — главный параметр трубчатой пружины. Перемещение конца трубчатой пружины

l=T-R-^-y                                                            (4.9)

7

где Т — коэффициент, зависящий от центрального угла-

Отличительная особенность трубчатых пружин — весьма широкий диапазон измеряемых давлений, ограниченный прочностью материала УЧЭ, при относительно небольших тяговых усилиях и высокой чувстви­тельности.

Основным критерием качества УЧЭ является точность, с которой из­меряемое давление преобразуется в перемещение или силу. К основным источникам погрешностей УЧЭ относятся: несовершенство упругих свойств материала, из которого изготовлен УЧЭ, влияние изменений тем­пературы на модуль упругости и линейные размеры.

Несовершенство упругих свойств проявляется как гистерезис, упру­гое последействие, релаксация напряжений и ползучесть. Эти явления связаны с возникновением в материале нагруженного УЧЭ микропласти­ческих деформаций, которые возрастают с ростом напряжений. При этом увеличение предела упругости материала, как правило, "снижает микро­пластические деформации. Поэтому УЧЭ должен иметь верхний предел измерений давления существенно меньший, чем давление, при котором он полностью или частично теряет свои рабочие свойства. Обычно коэф­фициент запаса принято определять по отношению напряжений, возника­ющих в материале при максимальном давлении, к пределу упругости или текучести па = о^/о, где а — максимальное рабочее напряжение.

При точных измерениях коэффициент запаса принимают равным ист = 5-10.

Гистерезис проявляется в разности значений перемещений УЧЭ при обратном и прямом ходах его нагружения, при одних и тех же значениях давления (рис. 35, сплошная линия). Если на верхнем пределе упругой характеристики давление некоторое время поддерживается постоянным, то проявляется упругое последействие, крторое деформирует петлю гис­терезиса (рис. 35, штриховая линия). Однако оба эти явления обратимы: после снятия нагрузки с течением времени УЧЭ возвращается в нулевое положение. В отличие от них ползучесть материала, которая протекает при относительно больших напряжениях и температурах, приводит со временем к необратимым пластическим деформациям.

Другой важный источник погрешностей — влияние температуры на упругие свойства и линейные размеры УЧЭ.

Изменение модуля упругости при изменении температуры выражает­ся формулой Et = Ео [1 — уЕ (t — t0) ], где Ео — модуль упругости при температуре t0; Et- модуль упругости при температуре t;. уЕ — темпера­турный коэффициент изменения модуля упругости.

4.2. Упругие чувствительные элементы деформационных манометров (УЧЭ)

Рис. 35. Гистерезис  "

Учитывая, что уЕ = (3-5) • 10"4°С"1, а температурный коэффициент линейного расширения а = (0,1-0,2) • КГ^С"1, влиянием температуры на линейные размеры во многих случаях можно пренебречь.

В заключение следует еще раз отметить, что несмотря на совершен­ствование методов расчета УЧЭ (развитие общей теории тонкостенных оболочек вращения, численные методы расчета с применением ЭВМ) они не позволяют проводить градуировку абсолютным методом.

Все расчетные методы основаны на упрощенных идеальных моделях формы УЧЭ и условиях их нагружения, что обусловливает приближен­ность полученных решений (5-10 %). К этому необходимо добавить не­избежный разброс основных параметров УЧЭ при их изготовлении. Мет­рологические характеристики УЧЭ и основанных на них манометров оп­ределяются путем сличения с образцовыми средствами измерений соот­ветствующей точности. Поэтому любой деформационный манометр, в от­личие от поршневых и жидкостных манометров, является относитель­ным прибором по принципу действия.

Вместе с тем расчетные зависимости оказывают неоценимую помощь при проектировании и изготовлении деформационных манометров.