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

‘              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 — 7я 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-

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

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

Pi      — =

Демодулятор

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)

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.