Измерение технологических параметров в отрасли промышленности

Глава 10. Датчики давления

Размещено на http://www.allbest.ru/

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ В ОТРАСЛИ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

1. Методы и средства измерений давлений

1.1 Виды давления. Единицы измерений. Средства измерений давления. Классификация. Жидкостные манометры. V - образные и колокольные дифманометры. Метрологические характеристики

Различают следующие виды давления:

· Атмосферное (барометрическое) давление - давление, создаваемое массой воздушного столба земной атмосферы.

· Абсолютное давление - давление, отсчитанное от абсолютного нуля. За начало отсчета абсолютного давления принимают давление внутри сосуда, из которого полностью откачен воздух.

Термин абсолютное давление применяется для давления, измеренного относительно нулевого давления. Термин давление датчика (относительное давление) используется для давления, измеренного относительно атмосферного давления. На поверхности Земли абсолютное давление считается равным 100 кПа. На поверхности Земли справедливо:

абсолютное давление = относительное давление + атмосферное давление

Относительное давление на некоторой глубине h покоящейся жидкости, возникающее из-за действия веса столба жидкости над ней. Сила, действующая на поверхность площадью S на этой глубине, равна весу жидкости, находящейся непосредственно над этой площадкой, т.е..

. (6.1)

· Избыточное давление -- это давление газа, превышающее давление окружающей среды. В противоположном случае -- речь идет о вакууме. Избыточное давление - разность, между абсолютным и барометрическим давлениями.

· Вакуум (разрежение) - разность между барометрическим и абсолютным давлениями.

Единицы измерений

В системе СИ единицей измерения давления является Паскаль:

1 Па=1Н/м².

Это значит, что давление 1 Паскаль равно силе, равномерно распределенной по поверхности площадью 1 квадратный метр. Иногда в качестве технической единицы измерения давления применяется единица, называемая атмосфера, обозначаемая 1 атм. Одна атмосфера это давление, которое оказывает столб воды высотой 1 метр на площадку 1 квадратный сантиметр при температуре +4°С и нормальном гравитационном ускорении. Между единицами давления существует следующая взаимосвязь:

1Па = 9.869х 10^-6 атм = 7.5x10^-4 см ртутного столба.

В промышленности применяется другая единица давления, называемая торр (это название дано в честь физика Торричелли), которая определяется как давление, создаваемое столбиком ртути высотой 1 мм при 0°С, нормальном атмосферном давлении и нормальной гравитации. Идеальное давление атмосферы Земли, равное 760 торр, называется технической атмосферой:

1атм = 760 торр = 101.325 Па.

Средства измерений давления. Классификация

Средства измерений давления классифицируют:

· По виду измеряемого давления средства измерений подразделяют на:

- манометры избыточного давления - для измерения избыточного давления;

- манометры абсолютного давления - для измерения давления, отсчитанного от абсолютного нуля;

- барометры - для измерения атмосферного давления;

- вакуумметры - для измерения вакуума (разрежения);

- мановакуумметры - для измерения избыточного давления и вакуума (разрежения).

Кроме перечисленных средств измерений в практике измерений получили распространение:

- напоромеры - манометры малых избыточных давлений (до 40 кПа);

- тягомеры - вакуумметры с верхним пределом измерения не более - 40 кПа;

- тягонапоромеры - мановакуумметры с диапазоном измерений (+20) ч (-20) кПа;

- вакуумметры остаточного давления - вакуумметры, предназначенные для измерения глубокого вакуума или остаточного давления, т.е. абсолютных давлений мене 200Па;

- дифференциальные манометры - средства измерений разности давлений.

· В зависимости от принципа, используемого для преобразования силового воздействия на чувствительный элемент в показания СИ давления разделяются на: жидкостные, деформационные, поршневые, электрические, ионизационные, тепловые.

В жидкостных манометрах измеряемое давление или разность давлений уравновешивается давлением столба жидкости. В приборах используют принцип сообщающихся сосудов, в которых уровни рабочей жидкости совпадают при равенстве давлений над ними, а при неравенстве занимают такое положение, когда избыточное давление в одном из сосудов уравновешивается гидростатическим давлением столба жидкости в другом.

В деформационных манометрах используется зависимость деформации чувствительного элемента или развиваемой им силы от измеряемого давления. Пропорциональная последнему деформация или сила преобразуется в показания или соответствующие изменения выходного сигнала. В соответствии с используемым чувствительным элементом деформационные манометры подразделяют на трубчато-пружинные, сильфонные и мембранные.

К электрическим приборам для измерения давления относятся манометры с тензопреобразователями и пьезоэлектрические. Чувствительным элементом манометров с тензопреобразователями является мембрана, на которой размещены проволочные, фольговые или полупроводниковые резисторы. При деформации мембраны под действием контролируемого давления сопротивление резисторов меняется. Принцип действия пьезоэлектрических манометров основан на пьезоэлектрическом эффекте, сущность которого заключается в возникновении электрических зарядов на поверхности сжатой кварцевой пластины, вырезанной перпендикулярно к электрической оси кристаллов кварца.

Для измерения давления в диапазоне от 10^-11 до 10¹² Па используют ионизационные манометры, основным элементом которых является стеклянная манометрическая лампа. Принцип действия приборов заключается в том, что эжектируемые раскаленным катодом электроны ускоряются положительным напряжением, приложенным между анодом и катодом, и при своем движении ионизируют молекулы разреженного газа. Положительные ионы попадают на отрицательно заряженный коллектор; при постоянстве анодного напряжения и электронной эмиссии величина коллекторного тока зависит от измеряемого давления.

В поршневых манометрах измеряемое давление уравновешивается силой тяжести неуплотненного поршня с грузами. Манометры используют в качестве образцовых средств воспроизведения единицы давления в диапазоне от 10^-1 до 10¹⁰ Па, а также для точных измерений давления в лабораторной практике.

Жидкостные манометры. V-образные и колокольные дифманометры. Метрологические характеристики U-образный манометр

Базовый вид U-образного трубчатого манометра состоит из U-образной трубки, содержащей жидкость (Рис. 1).

Рисунок 1 U-образный трубчатый манометр

Перепад давления газов над жидкостью в двух ветвях создает разность h в вертикальных высотах жидкости. Давления у оснований двух столбиков жидкости равны и соответственно. Так как они одинаковы по закону Паскаля, то:

(6.2)

где -- плотность жидкости в манометре, g -- ускорение свободного падения. Следовательно, перепад давления Р:

(6.3)

Если одна из ветвей такого манометра сообщается с атмосферой, то перепад давления равен относительному давлению. В качестве манометрических жидкостей обычно используются вода, спирт или ртуть. При этом может быть измерен перепад давления в диапазоне 20 Па - 140 кПа. Ошибки могут возрастать, если высоты измерены не в строго вертикальном направлении, а также за счет влияния температуры на плотность жидкости и использования неточных величин ускорения земного притяжения. Типичное значение погрешности измерения перепада давления при помощи U-образной трубки составляет ±1%. Поправки, которые необходимо делать на температурную зависимость плотности манометрической жидкости, вытекают из следующего: масса m жидкости при 0°С в объеме V₀ и плотности ₀ связаны соотношением:

(6.4)

При температуре t та же масса жидкости будет иметь объем V₀ и плотность ₀, т.е.

(6.5)

Следовательно:

(6.6)

Объем при температуре t связан с объемом при температуре 0°С как:

(6.7)

где -- коэффициент объемного расширения жидкости. Следовательно:

 (6.8)

Таким образом, пренебрегая любыми другими поправками, давление, измеренное таким манометром при температуре t, приводится к давлению при 0°С по формуле:

(6.9)

Для уточнения значений ускорения свободного падения в зависимости от географической широты и высоты над уровнем моря Н обычно используют следующую зависимость

В зависимости от широты ускорение свободного падения может изменяться от 9,78049 м/c² при =0° до 9, 83221 м/c² при =90° при нулевых высотах над уровнем моря.

Манометр с наклонной трубкой.

Манометр с наклонной трубкой (Рис. 2) - это U-образная трубка, одна ветвь которой имеет большую площадь поперечного сечения, чем другая. Узкая ветвь наклонена под некоторым углом к горизонтали.



Рисунок 2

Вертикальное смещение уровня жидкости в наклонной ветви связано с перемещением х жидкости вдоль трубки соотношением:

(6.10)

Так как перемещение х измеряется, то справедливо следующее:

(6.11)

Это уравнение можно представить в следующем виде:

(6.12)

Так как перемещение х больше, чем вертикальное смещение, это дает более высокую точность по сравнению с обычным U-образным манометром.

Колокольные дифманометры

Предназначены для измерения давления нагретых газов. Чувствительным элементом прибора является колокол (4), частично погруженный в трансформаторное масло (2) и соединенный с системой рычагов со стрелкой (5). Внутрь колокола введена трубка (1), соединяемая с окружающей средой. С измерением давления в подколокольном пространстве, колокол либо поднимается, либо опускается, приводя в действие стрелку прибора. При использовании прибора в качестве дифманометра к колоколу подводится разность давлений, большее давление создается в пространстве над колоколом с помощью трубки (3), меньшее в пространстве под колоколом. Дифманометры выпускаются на перепады давления 1-4 МПа. Основная погрешность измерения ±(1,6-4%)

Колокольные дифманометры с гидростатическим уравновешиванием обладают высокой чувствительностью и могут быть использованы для измерения малых давлений, перепадов давлений и разрежений.

Некоторые модификации колокольных дифманометров с гидростатическим уравновешиванием оснащаются преобразователями, посредством которых перемещение поплавка преобразуется в унифицированный сигнал измерительной информации, передаваемый по каналу связи.

Жидкостные средства измерения имеют высокую точность, однако сложны по конструкции и в обслуживании, поэтому используются редко.

Рисунок 3 Колокольный дифманометр: 1, 3 - трубка; 2 - трансформаторное масло; 4 - колокол; 5 - система рычагов со стрелкой

1.2 Деформационные манометры. Элементы, воспринимающие давление. Метрологические характеристики. Тензо и пьезорезистивные манометры. Вакуумметры. Измерение перепада давлений. Требования к установке манометров, дифманометров. Метрологическое обеспечение СИ давления

измерение давление электрический прибор

Деформационные манометры. Элементы, воспринимающие давление. Метрологические характеристики

Высокая точность, простота конструкции, надежность и низкая стоимость являются основными факторами, обуславливающими широкое распространение деформационных приборов для измерения давления в промышленности и научных исследованиях.

Принцип действия деформационных средств измерений давления основан на использовании упругой деформации чувствительного элемента (ЧЭ) или развиваемой им силы. Мерой измеряемого давления в средствах измерений данного вида является деформация упругого чувствительного элемента или развиваемая им сила. Различают три основные формы ЧЭ, получивших распространение в практике измерения: трубчатые пружины, сильфоны и мембраны.

Трубчатые пружины

Трубчатая пружина (манометрическая трубка, пружина Бурдона) -- упругая криволинейная металлическая полая трубка, один из концов которой имеет возможность перемещаться, а другой -- жестко закреплен. Трубчатые пружины используются в основном для преобразования измеряемого давления, поданного во внутреннее пространство пружины, в пропорциональное перемещение ее свободного конца.

Трубки Бурдона -- это трубки с поперечным сечением почти прямоугольной или эллиптической формы, выполненные из материалов типа нержавеющей стали или фосфористой бронзы. По форме эти трубки изгибаются в виде буквы «С» (Рис. 4 а). Когда давление внутри трубки увеличивается, то С-форма раскрывается и, таким образом, происходит перемещение закрытого конца такой С-трубки. Это дает возможность измерять давление.

Спиральная форма трубки рис. 4 б позволяет получить большие смещения ее конца. В другом варианте трубка закручивается винтом рис. 4 в, и изменение давления приводит к ее раскручиванию.

Увеличение давления в трубке заставляет ее распрямляться, величина этого перемещения зависит от изменения давления.

Рисунок 4

Перемещение конца трубки можно измерять различными способами.



Рисунок 5

Например, непосредственно по перемещению стрелки, приводимой в движение системой шестеренок и рычагов (Рис. 5 а). Можно перемещать движок потенциометра (Рис. 5 в) или сердечник линейно-перестраиваемого дифференциального трансформатора (Рис. 5 б). Приборы на основе трубок Бурдона обычно работают в диапазоне давлений 10 кПа...100 МПа. Этот диапазон зависит от того, какая форма и материал используются для изготовления трубки. С-образные трубки, изготовленные из латуни или фосфористой бронзы, имеют диапазон измеряемых давлений 35 кПа...100 МПа. Спиральные и винтообразные трубки имеют большее расширение и большую чувствительность, но, как следствие этого, меньшее максимальное давление, которое может быть измерено, обычно до 50 МПа. Бурдоновские трубки прочные, имеют точность ±1% к полной шкале измерения.

Основные источники их погрешностей -- гистерезис, изменение чувствительности при изменении температуры и эффекты трения в шарнирах и осях указателей.

Основной недостаток рассмотренных пружин -- малый угол поворота, что требует применения передаточных механизмов. Трубчатые пружины для давлений до 5 МПа изготавливают из латуни, томпака, бронзы; для изготовления пружин, рассчитанных на давления свыше 5 МПа, применяют легированные сплавы, стали различных составов. Для давлений 1000 МПа и более применяют легированную сталь типа 50 ХФА.

Сильфоны

Сильфон -- тонкостенная цилиндрическая оболочка с поперечными гофрами, способная получать значительные перемещения под действием давления или силы. В пределах линейности статической характеристики сильфона отношение действующей на него силы к вызванной ею деформации остается постоянным и называется жесткостью сильфона. Для увеличения жесткости внутри сильфона часто помещают пружину. Сильфоны изготовляют из бронзы различных марок, полутомпака, углеродистой стали, нержавеющей стали, алюминиевых сплавов. Серийно производят бесшовные и сварные сильфоны диаметром от 8--10 до 80--100 мм и толщиной стенки 0,1--0,3 мм.

При действии нагрузки (внешнего Р₂ или внутреннего Р₁ давления) длина сильфона изменяется, увеличиваясь или уменьшаясь в зависимости от направления приложенной силы. Наличие гофров позволяет перемещать подвижную часть сильфона на значительное расстояние (десятки миллиметров) без заметного изменения его характеристик. Выходная координата сильфона - перемещение h, входные - давления Р₁ и Р₂ или их разность ?Р. Жесткость сильфона связана кубической зависимостью с толщиной его стенок.



Сильфонные датчики применяются для измерения перепадов давления в диапазоне 200Па... 1 МПа с точностью около ±0.1 %. Они имеют плохую стабильность нуля.

Рисунок 6 Деформация тонкой пластины (А) и мембраны (Б) под действием давления P

Мембраны

Различают упругие и эластичные (вялые) мембраны. Упругая мембрана -- гибкая, круглая, плоская (плоская мембрана) или гофрированная (гофрированная мембрана) пластина, способная получить прогиб под действием давления рисунок 6 (а, б). Статическая характеристика плоских мембран изменяется нелинейно с увеличением давления, поэтому здесь в качестве рабочего участка используют небольшую часть возможного хода. Гофрированные мембраны могут применяться при больших прогибах, чем плоские, так как имеют значительно меньшую нелинейность характеристики. Мембраны изготавливают из различных марок стали, бронзы, томпака, латуни.

Мембрана -- это тонкая диафрагма, радиальное растяжение которой S измеряется в Ньютонах на метр (рис. 6 Б). Коэффициентом жесткости при изгибе здесь можно пренебречь, поскольку толщина мембраны гораздо меньше ее радиуса (по крайней мере в 200 раз). Приложенное давление к одной из сторон мембраны сферически выгибает ее. При низких значениях давления Р отклонение центра мембраны z_m и ее механическое напряжение а_т являются квазилинейными функциями давления (напряжение измеряется в Н/м²):

(6.13)

(6.14)

где r - радиус мембраны, а g - ее толщина. Механическое напряжение мембраны считается постоянным по всей ее поверхности.

Для нахождения наименьшей собственной частоты мембраны можно воспользоваться следующим соотношением:

(6.15)

где с - плотность материала мембраны. При значительной толщине мембраны, когда ее отношение r/g?100, речь уже идет о тонкой пластине (рис. 6 А). Если такую пластину закрепить между двумя зажимными кольцами, в системе появится значительный гистерезис, вызванный силами трения между кольцами и пластиной. Поэтому пластину и поддерживающие компоненты лучше изготавливать в виде монолитной конструкции.

Для пластины, также как и для мембраны, максимальное отклонение линейно связано с давлением:

(6.16)

где Е - модуль Юнга (Н/м²), а н - коэффициент Пуассона. Максимальное механическое напряжение в пластине тоже является линейной функцией давления:

(6.17)

Величина прогиба центра плоской мембраны, закрепленной по контуру, при малых перемещениях под действием давления Р вычисляется по формуле

, (6.18)

где R--рабочий радиус мембраны (по контуру закрепления);

h-- толщина мембраны.

Величину прогиба гофрированных мембран определяют из выражения

a=, (6.19)

где а и b-- коэффициенты, зависящие от формы профиля мембраны и ее толщины.

По такому принципу действия работают дифманометрические датчики КАРАТ-ДД.

Рисунок 7 Дифманометрический датчик КАРАТ-ДД

Они имеют мембранный первичный преобразователь и электронный модуль (блок) с конструктивными исполнениями, обусловленными спецификой эксплуатации, особенностями и пределами измерений.

В дифманометрических датчиках мембранный элемент сравнивает два рабочих давления контролируемой среды и имеет два явных входа, что и обеспечивает измерение разности давлений. Такой датчик является наиболее универсальным и может использоваться для измерений избыточного давления и разрежения.

Например, дифманометрический датчик КАРАТ-ДД имеет унифицированную конструкцию: первичный преобразователь в виде мембранного блока (МБ) с тензопреобразователем и блок электроники (БЭЛ) с нормирующим преобразователем, соединенные через горловину МБ. На рисунок 7 изображен внешний вид датчика КАРАТ - ДД. Мембраны имеют ход, допускающий одностороннюю (например, аварийную) перегрузку рабочим давлением, многократно превышающим измеряемую разность давлений. При перегрузке, мембраны перемещаются, и одна из них ложится на упор - профилированную поверхность основания.

Емкостный диафрагменный датчик

Существуют две базовые разновидности таких диафрагменных датчиков (Рис. 8).

Рисунок 8

Для одной (Рис. 8 а) -- перемещение диафрагмы относительно фиксированной пластины приводит к изменению емкости между диафрагмой и фиксированной пластиной. Конденсатор может быть составной частью настроечной цепи частотно-модулированного генератора колебаний и, таким образом, выдавать частотный выходной сигнал, связанный с перепадом давления на диафрагме.

Для другой разновидности (Рис. 8 б) -- диафрагма расположена между двумя фиксированными пластинами, и ее перемещение увеличивает емкость относительно одной пластины и уменьшает ее с другой, т.е. это вид дифференциального датчика перемещений со средней точкой. Такой датчик обычно используется с мостом переменного тока, выходной разбаланс которого связан с перепадом давления на диафрагме. Диапазон измерений обычно равен 1…200 кПа, с точностью около ±0.1% и полосой частот до 1 кГц.

Пьезоэлектрические датчики давления

Когда некоторые кристаллы подвергаются деформации под действием сил сжатия или растяжения, на их противоположных поверхностях появляется разность электрических зарядов. Этот эффект называется прямым пьезоэффектом. Примерами таких кристаллов являются кварц, турмалин и пьезоэлектрические керамики, такие как цирконат-титанат свинца.

Заряд, образующийся на поверхности пьезоэлектрического кристалла q, будет прямо пропорциональным приложенной силе F:

, (6.20)

где d- чувствительность пьезокристалла.

Чтобы измерить заряд, на противоположные поверхности кристалла методом осаждения наносятся электроды. Такое устройство образует конденсатор, и, таким образом, пьезоэлектрический датчик может рассматриваться как генератор зарядов с параллельно включенным конденсатором.

В таблице представлены характеристики для наиболее часто используемых пьезоэлектрических кристаллов.

Таблица 1

Материал	Чувствительность по заряду [пКл/Н]	Относительная диэлектрическая проницаемость
Метаниабат свинца	80	250
Цирконат-титанат свинца	250	1500
Кварц	2,3	4,5
Турмалин	1,9 или 2,4 (величина зависит от направления приложенной силы относительно осей кристалла)	6,6

Основной элемент пьезоэлектрического датчика -- это диафрагма, которая давит на пьезоэлектрический кристалл. Перемещение диафрагмы вызывает сжатие кристалла, которое приводит к возникновению разности электрических потенциалов на его плоскостях. Обычно такие датчики используются для измерения давления в диапазоне 200 кПа...100МПа. Их рабочая полоса частот составляет 5 Гц...500 кГц. Такие датчики не могут применяться для измерения статического давления.

Электрические манометры. Преобразователи давления типа "Сапфир"

Эти манометры обеспечивают непрерывное преобразование значения измеряемого параметра (давления избыточного, абсолютного, разряжения, разности давлений нейтральных и агрессивных сред) в унифицированный токовый сигнал для дистанционной передачи (0 - 5 мА, 0 - 20 мА и др.).

Мембранный тензопреобразователь 3 размещен внутри основания 9 рис. 9. Внутренняя полость 4 тензопреобразователя заполнена кремнийорганической жидкостью и отделена от измеряемой среды металлической гофрированной мембраной 6, приваренной по наружному контуру к основанию 9. Полость 10 сообщена с окружающей атмосферой.

Измеряемое давление подается в камеру 7 фланца 5, который уплотнен прокладкой 8. Измеряемое давление воздействует на мембрану 6 и через жидкость воздействует на мембрану тензопреобразователя, вызывая ее прогиб и изменение сопротивления тензорезисторов. Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока 1 по проводам через гермовывод 2.

Преобразователи «Сапфир-22ДА» моделей 2050 и 2060, предназначенные для измерения абсолютного давления, отличаются тем, что полость 10 вакуумирована и герметизирована.

Преобразователи «Сапфир-22ДД» моделей 2410, 2420, 2430, 2434, 2440 и 2444, предназначенные для измерения разности давлений, отличаются тем, что в них используется тензопреобразователь мембранно-рычажного типа, который размещен внутри основания в замкнутой полости, заполненной кремнийорганической жидкостью, и отделен от измеряемой среды двумя металлическими гофрированными мембранами. Мембраны соединены между собой центральным штоком, перемещение которого передается рычагу тензопреобразователя, что вызывает деформацию тензопреобразователя.

Чувствительным элементом тензопреобразователя является пластина из монокристаллического сапфира (разновидность корунда - Al₂O₃) с кремниевыми пленочными тензорезисторами (структура КНС - кремний на сапфире).

Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока в электронное устройство 1 по проводам через гермоввод 2. Измерительный блок выдерживает без разрушения воздействие односторонней перегрузки рабочим избыточным давлением. Это обеспечивается тем, что при такой перегрузке одна из мембран 8 ложится на профилированную поверхность основания 9.

Преобразователи «Сапфир - 22ДД» имеют высокую точность, металлоемки, компактны и малогабаритны. Их недостатки: некоторая сложность изготовления; смещение нуля выходного сигнала, а иногда и изменение характеристики во времени; влияние температуры на показания вследствие большого коэффициента объемного расширения кремнийорганической жидкости, хотя тензорезисторный преобразователь и содержит элементы для температурной компенсации.

Рисунок 9 Вакуумметры

Вакуумметр - манометр для измерения давления разреженного газа (давление которого меньше 1 атм). Манометр - прибор для измерения давления газа или жидкости.

Вакуумметр абсолютного давления и вакуумметр относительного давления - измеряют соответственно абсолютное давление газа или разность давлений (как правило, разность между давлением в измеряемой системе и атмосферным давлением).

Вакуумметры предназначены для показания общего, полного давления, которое равняется сумме парциальных давлений газов. Для измерения парциального давления газа, т.е. давления конкретного газа, входящего в какой-то технологический газ (смесь газов), как правило, используют масс-спектрометрические методы измерения.

Механические вакуумметры измеряют разность давлений на поверхность жидкости в U-образной трубке. В настоящее время жидкостные вакуумметры практически не используются.

Компресионные вакуумметры - разновидность гидростатических манометров, в которых, с целью увеличения измеряемого диапазона, рабочей жидкостью вакуумметра предварительно создается сжатие. Несмотря на то, что приборы неудобны в повседневной работе, они иногда находят своё применение как образцовые (калибровочные) вакуумметры.

Деформационные механические вакуумметры - вакуумметры, предназначенные для измерения низкого вакуума, принцип действия которых основан на деформации рабочего сенсора (пружины или мембраны).

Измеряемое давление воздействует на упругий элемент (мембрану, сильфон, спиральную трубку), деформация которого пропорциональна давлению и определяется оптическим или электрическим методом, либо непосредственно превращается с помощью механической передачи в показания стрелки прибора. Упругий элемент может также принудительно возвращаться в исходное положение посредством электрических или пневматических источников силы. В этом случае критерием давления служит компенсирующая сила или др. величина, связанная с этой силой (напряжение, ток, пневматическое давление).

В мембранных вакуумметрах (рис. 10) разрежение определяют по изменению емкости конденсатора, образованного мембраной и неподвижной пластиной. Достоинства деформационных вакуумметров: простота и надежность конструкции, недостаток: небольшой диапазон измерений. Погрешность до 0,4%.

Пружинный и мембранный вакуумметр, в которых для измерения используются только механические части, являются одними из самых дешевых средств измерения низкого вакуума, и обычно имеют стрелочную индикацию. Оба вакуумметра являются газонезависимыми (т.е. показания давления не зависят от типа газа).

Более точной (и соответственно, дорогой) разновидностью мембранного вакуумметра является емкостной диафрагменный вакуумметр. В емкостном вакуумметре изгибаемая мембрана является одной из обложек конденсатора, емкость которого меняется при изменении расстояния между обложками (изгибаемой мембраной и неподвижной второй обложкой). Учитывая, что ёмкость сильно изменяется при изгибе диафрагмы (изменении расстояния между обложками конденсатора), и легко и точно измеряется, данные вакуумметры являются одними из наиболее точных (точность измерения составляет десятые, или сотые процента от показываемого значения). Емкостные вакуумметры являются газонезависимыми. К недостаткам можно отнести небольшой диапазон измерения (обычно 4 порядка, например, от 1 до 1х10^-3 торр, или от 1000 до 0,1 торр) и высокую стоимость.

Тепловой вакуумметр - самый распространённый тип измерения низкого и среднего вакуума благодаря приемлемой точности и невысокой стоимости вакуумметра. Тепловой вакуумметр - это вакуумметр для измерения абсолютного давления. Действие вакуумметра основано на принципе изменения теплопроводности газа при изменении давления газа. Тепловые вакуумметры являются газозависимыми вакумметрами (показываемое давление зависит от типа газа, т.к. разные газы имеют разную теплопроводность при одном и том же давлении). Два основных типа тепловых вакуумных датчика: термопарный вакуумный датчик и вакууммный датчик Пирани.

Термопарный вакуумный датчик - один из самых дешевых датчиков для измерения низкого и среднего давления. Напряжение на концах термопары зависит от температуры термопары, которая, в свою очередь, зависит от давления вокруг термопары (чем больше давление, тем лучше отводится тепло, и соответственно - температура термопары ниже).

В основном представлены два типа ионизационных высоковакуумных датчиков: магниторазрядный вакуумный датчик (часто называемый вакуумный датчик с холодным катодом) и вакуумный датчик Байард-Альперта (обычно называемый вакуумный датчик с нитью накала). Все ионизационные вакуумметры являются газозависимыми вакуумметрами (т.к. потенциал ионизации у разных газов разный).

Магниторазрядный вакуумный датчик для измерений в высоком вакууме основан на принципе ионизации атомов газа в сильном электрическом поле, ионизация происходит ускоренными электронами, которые благодаря наличию магнитного поля движутся по спиральной траектории, что значительно увеличивает время жизни электронов и, как следствие, их ионизационную способность. Преимуществом высоковакуумных датчиков с холодным катодом является их высокая надежность (в «чистых» вакуумных приложениях высоковакуумные датчики с холодным катодом стабильно работают в течение многих лет). Недостатком, по сравнению с высоковакуумными датчиками с холодным катодом является чуть меньшая точность измерения. Прародителем магнитного электроразрядного высоковакуумного датчика является вакуумный датчик Пеннинга, впервые предложенный в 1937 году.



Рисунок 11 Магнитные электроразрядные преобразователи: а-манометр Пеннинга; б - магнетронный; в-инверсно-магнетронный; 1-катод; 2-анод

Торцы системы закрыты дисками, соединенными с катодом для предотвращения выхода заряженных частиц в осевом направлении. На анод подается напряжение, равное нескольким кВ, катод соединяется с усилителями постоянного тока и находится под нулевым потенциалом. Электроды помещаются в осевое магнитное поле. В результате действия электрических и магнитных сил образующиеся свободные электроны движутся по замкнутым траекториям в пространстве между катодом и анодом, попадая на анод только вследствие столкновения с молекулами газа. Образовавшиеся при столкновениях ионы, траектории которых слабо искривляются магнитным полем, движутся к аноду, а электроны в свою очередь начинают вращаться в пространстве катод - анод, вызывая ионизацию; возникает газовый разряд. По величине разрядного тока можно судить о разрежении.

Электроразрядные вакуумметры в отличие от ионизационных магнитных не имеют накаливаемого катода (это удобно для измерения разрежения, например, в криогенных системах) и обладают большей чувствительностью. Недостатки: медленное возникновение самостоятельного газового разряда при низких давлениях, необходимость очистки электродов при работе прибора в вакуумных установках, которые содержат пары масел. Ионизационные и магнитные электроразрядные вакуумметры часто подключают к одной вакуумной системе, что позволяет последовательно включать в работу тот или иной прибор и управлять вакуумированием. Погрешность магнитных электроразрядных вакуумметров - 60% и более.

Высоковакуумный датчик с нитью накала использует принцип термоэлектронной эмиссии для образования потока электронов, которые ионизуют атомы газа, в результате чего образуется электрический ток ионизованных атомов (значение которого пропорционально давлению газа). Данный ток положительных ионов газа регистрируется, и затем пересчитывается в давление.

Рисунок 16 Ионизационный вакуумметр: 1 -катод; 2-анод; 3 - коллектор. Рисунок 17 Лампа Байярда-Альперта: 1-катод; 2-анод; 3-коллектор

Действие основано на ионизации молекул газа и измерении ионного тока, который является функцией давления. В электронных вакуумметрах ионизация осуществляется потоком электронов, испускаемых накаленным катодом. Такой вакуумметры снабжен еще двумя электродами - анодом и коллектором (рис. 12). Анод - сетка, создающая электрическое поле, которое ускоряет электроны. Коллектор имеет отрицательный потенциал относительно катода и собирает образующиеся в газе положительные ионы. Ионный ток в цепи коллектора служит мерой давления газа. Диапазон измерений (10^-5 -1 Па) ограничен: при высоких давлениях - малым сроком службы и нарушением линейности градуировочной характеристики из-за возрастающей вероятности объемной рекомбинации ионов и увеличения тока вторичных ионов, также участвующих в ионизации; при низких давлениях - остаточным фоновым током коллектора, который не зависит от давления.

Вакуумметры Лафферти работает в магнитном поле напряженностью Н (рис. 13). Это позволяет удлинить пути электронов в рабочем пространстве и обеспечить высокую эффективность ионизации при очень малом электронном токе. Нижний предел измерений - 10^-11 Па.

В ионизационных радиоизотопных вакуумметрах для ионизации газа используют главным образом излучение. Особенность таких вакуумметры в отличие от электронных - отсутствие электрода, ускоряющего частицы, энергия которых при радиоактивном распаде очень велика. Достоинство: строго линейная зависимость тока ионизации от давления, недостаток: не очень высокая чувствительность.

Погрешность нерадиоизотопных ионизационных вакуумметров 30-50%, радиоизотопных до 20%.

Метрологическое обеспечение СИ давления

Основу метрологического обеспечения средств измерений давления составляет группа государственных эталонов, в состав которой входят один первичный и пять специальных эталонов.

Государственный первичный эталон единицы давления представляет собой комплекс средств измерений, включающий группу из пяти поршневых приборов переменного состава, набора гирь и специальную аппаратуру для создания и поддержания гидростатического давления, создаваемого весом поршня и нагружающих его гирь.

В качестве образцовых средств измерений давления используются жидкостные компенсационные, грузопоршневые и деформационные приборы.

Жидкостные компенсационные приборы. К этим приборам относится универсальный жидкостной мановакуумметр (прибор Петрова).

Прибор этого типа предназначен для поверки дифманометров расходомеров переменного перепада давления, вакуумметров, тягомеров и других средств измерений давления и разрежения. Прибор (рис. 17) содержит две пары сообщающихся сосудов. Одна из них предназначена для работы на «воде», другая -- на «ртути». Каждая пара состоит из металлического бачка 5 (16) и прозрачного стакана 4 (13).

В нерабочем положении при измерении давления каждый бачок устанавливается в вертикальное положение на стойке, укрепленной на плате 2.

Рисунок 17 Схема универсального жидкостного мановакуумметра

При измерении прибором вакуума каждый из бачков с помощью кронштейна, расположенного на бачке, может устанавливаться на линейке 6. Под стойкой левого бачка укреплен кронштейн 3, служащий для закрепления в нем одного из прозрачных стаканов. Линейка 6 имеет цилиндрическое трубчатое сечение, внутри нее расположен отвес 1, видимый через отверстие внизу линейки. На линейке нанесена шкала с миллиметровыми велениями. Вдоль линейки перемещается каретка 10, которая состоит из двух направляющих. На верхней направляющей 8 каретки 10 расположен нониус с точностью отсчета 0,1 мм. Нижняя направляющая 7 каретки 10 служит для плавного перемещения каретки до заданной отметки шкалы линейки. В зависимости от диапазона измерений выбирают пару сосудов, заполненных водой или ртутью и сообщающихся между собой гибким шлангом 14. Перед измерением прибор устанавливают по отвесу, и выставляется нуль прибора. Если измеряется перепад давлений, то прозрачный бачок укрепляют на кронштейне 9 каретки 10, как показано на рис. 3. При измерении перепада давления верхний штуцер вентиля 15 соединяют с плюсовой камерой поверяемого прибора. Поверка осуществляется следующим образом. Каретку 10 устанавливают на отметке шкалы, соответствующей расчетному значению перепада -- поверяемой отметке шкалы прибора. Воздушным прессом или от компрессора подается давление, при котором стрелка прибора устанавливается на поверяемую отметку. Открывают вентиль 15 бачка 16 и точно устанавливают стрелку на поверяемую отметку. Если показания прибора в поверяемой отметке имеют погрешность, то уровень рабочей жидкости в прозрачном бачке не совпадает с концом иглы 12 (выше или ниже его). Погрешность прибора в поверяемой отметке определяют путем вращения микрометрического винта 11 до тех пор, пока конец иглы не коснется зеркала жидкости.

Абсолютная погрешность прибора в поверяемой отметке считывается со шкалы микрометрического винта.

При измерении разрежения металлический бачок укрепляется на верхней секции линейки, а прозрачный бачок устанавливают на кронштейне 9 каретки 10, которую помещают на нулевую отметку. Нулевая отметка при измерении разрежения находится на отметке 760 мм шкалы линейки. Относительная погрешность показаний универсального жидкостного мановакуумметра при измерении давления и разрежения в диапазоне 150--1000 мм вод. ст. и в диапазоне 75--1000 мм рт. ст. составляет ±0,3%. В диапазоне 0--150 мм вод. ст. абсолютная погрешность не превышает ±0,5 мм вод. ст., а в диапазоне 0--75 мм рт. ст. -- 0,25 мм рт. ст.

Образцовые деформационные манометры и вакуумметры. Принцип действия этих приборов аналогичен рабочим манометрам и вакуумметрам. Отличительным элементом конструкций образцовых приборов является корректор нуля и арретир. Шкала приборов круговая, имеет 100 или 250 условных единиц. Основной особенностью образцового прибора является материал, из которого выполнен упругий чувствительный элемент, а также отношение предела измерений к пределу пропорциональности трубчатой пружины. Это отношение для образцовых приборов лежит в пределах от 3 до 4, в то время как для рабочих приборов оно равно 1,5--2,0.

При проведении измерений образцовым деформационным прибором необходимо руководствоваться данными градуировочной таблицы, указанной в паспорте прибора. Для уменьшения погрешности прибора, вызванной отклонением температуры окружающей среды от 20°С, рекомендуется к показаниям прибора вводить температурную поправку. Верхние пределы измерений образцовых манометров избыточного давления ограничены значениями 0,1--60 МПа. Диапазон измерений образцовых вакуумметров --0,1--0 МПа. Классы точности образцовых деформационных приборов 0,15; 0,2; 0,25; 0,4; 0,6; 1,0.

Размещено на Allbest.ru

...