Измерение давления

    В этой связи следует остановиться на часто применяемом понятии "измерительный  преобразователь давления" (ИПД). В принципе, ИПД — это составная  часть измерительной цепи многих современных деформационных манометров, включающая промежуточный преобразователь с унифицированным выходным сигналом. Поэтому выделение ИПД в самостоятельный раздел нецелесообразно из-за неизбежности повторов при их описании. В то же время ИПД по функциональным возможностям имеет более широкое применение, чем манометры. 

    1.3.2. 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. 8).

    Мембрана (рис. 8, а) представляет собой упругую  пластину в форме диска, жестко закрепленную по наружному контуру, прогиб которой определяется действующим на нее давлением. 
 

    Рис. 8. Основные типы УЧЭ 

    Мембранная  коробка (рис. 8, б) состоит из двух гофрированных мембран, герметично соединенных по наружному контуру, что соответственно увеличивает ее прогиб под действием давления.

    Сильфон (рис. 8, 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. 8, 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.

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

    1.3.3. Индуктивные и трансформаторные (взаимоиндуктивные) электромагнитные  преобразователи 

    Индуктивными  преобразователями называются преобразователи, преобразующие перемещение в  изменение индуктивности магнитной  цепи. Принцип действия преобразователя заключается в следующем (рис. 9). Преобразователь содержит магнитопроводы 1и 2 с катушками Z₁ 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 I_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 Z₁ и Z₂. В результате разбаланса моста по диагонали последнего потечет ток I_к, пропорциональный перемещению центра мембраны, а следовательно, давлению.

    Рис.   9.  Принцип действия  индуктивного преобразователя 

    Дифференциальная  схема индуктивного преобразователя, выходным параметром которой является разность Z₁ - Z₂, расширяет линейный участок до     

 ∆δ = ± (0,3-0,4) δ₀, а также существенно повышает чувствительность 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. 

    1.3.4. 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 (1911г.). Однако широкое внедрение тензоресторной техники в промышленность началось со времен второй мировой войны.

    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:

1. давление, воспринимаемое УЧЭ, вызывает деформацию его поверхности (растягивающую или сжимающую), которая преобразуется в изменение электросопротивления тензорезистора;
2. 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 тензорезисторами, которые, как правило, включаются в мостовую схему и составляют вместе с УЧЭ единый блок (датчик).

    Тензорезисторы  обычно включаются во все четыре плеча  мостовой схемы, причем для повышения  чувствительности одна пара тензорезисторов  работает на растяжение, а другая на сжатие. Иногда два тензорезистора 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 требуются 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. 10) 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. 

    Рис. 10. Манганиновый манометр 

    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.

    Манометры сопротивления практически не применимы при давлениях менее 50 МПа из-за относительно низкого тензоэффекта при всестороннем сжатии проводника. Поэтому при измерении малых и средних давлений производится предварительное преобразование давления в деформацию УЧЭ, которая создает в материале тензорезистора 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 тензорезистивных манометров. Находят применение как наклеиваемые на поверхность УЧЭ проволочные тензорезисторы, так и „свободные" тензорезистивные преобразователи, в которых деформации подвергаются ненаклеенные проволочные нити.

    Общий недостаток конструкций с наклеиваемыми  проволочными тензорезисторами — нестабильность закрепления последних на деформируемой поверхности, особенно при воздействии повышенных температур. С этой точки зрения предпочтительнее „свободные" тензорезистивные 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.

    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. 11, а) состоит из тонкой металлической фольги 1, выполненной в виде петлеобразной решетки, которая специальным клеем закреплена на подложке 2 из

изоляционного материала. 
 

    Рис. 11. Фольговый тензорезистор 
 

    К расширенным концам решетки припаиваются проволочные токосъемники 3, а сверху на решетку наносится изоляционное покрытие 4 для защиты от воздействия окружающей среды. Сопротивление резистора определяется базой l, 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.

    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. 11, 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. 11, в) выходной сигнал усиливается и после преобразований поступает на цифровое табло указателя 2. Одновременно происходит преобразование в аналоговый и кодовый выходные сигналы.