Устройство и принцип работы пружинного манометра

Манометры с трубчатой пружиной
Трубчатые пружины представляют собой кругообразно согнутые трубки с овальным поперечным сечением (рис.4.4). Давление измеряемой среды воздействует на внутреннюю сторону этой трубки, в результате чего овальное поперечное сечение принимает почти круглую форму. В результате искривления пружинной трубки возникают напряжения в кольцах трубки, кото­рые разгибают пружину. Незажатый конец пружины выполняет движение, пропорциональное величине давления. Движение передаётся посредством стрелочного механизма на шкалу. Для измерений давления до 40 или 60 бар применяются, как правило, согнутые с углом витка около 2700 , кругообразные пружины. Для измерений давления с более высокими значениями используются пружины с несколькими лежащими друг над другом витками и одинаковым витковым диаметром (винтовая пружина) или со спиралеобразными витками, лежащими в одной плоскости (плоская спиральная пружина). Трубчатые пружины обладают сравнительно низким перестановочным усилием. Поэтому их защита от перегрузки может проводиться только с ограничениями. Показания лежат в диапазоне от 0 …0,6 до 0 … 4000 бар при точности показаний (классе) от 0,1 до 4,0%.

В производственных процессах измерение давлений в подав­ляющем большинстве случаев обеспечивается деформационными манометрами и вакуумметрами. Электрические приборы используются главным образом для специальных цепей, например, при измерениях сверхвысоких давлений, глубокого вакуума или давлений, пульсирующих с высокой частотой.
В вакуумной металлургии для измерения малых давлений деформационные приборы охватывают нижний предел измеряемых давлений порядка 10—0,1 Па. Для измерения вакуума в области 1—10-4 Па находят широкое применение тепловые вакуумметры, а для измерения вакуума в пределах до 10-6 Па применяются ионизационные вакуумметры.
Переменные давления в пределах 100 кПа, например, в цилин­драх двигателей внутреннего сгорания, где давления пульсируют с высокой частотой, измеряют пьезоэлектрическими манометрами.
Развитие полупроводниковой техники и микроэлектроники открыло новые возможности, для создания более совершенных электрических манометров с использованием полупроводниковых тензорезисторов, позволяющих измерять давление в широких диапазонах. Действие приборов этой группы основано на свойстве некоторых материалов изменять свои электрические параметры под действием давления.
Тепловые вакуумметры. Принцип действия тепловых вакуум­метров основан на зависимости теплопроводности газовой среды от степени ее разрежения. На рис. 4.5 схематично показаны две конструкции тепловых вакуумметров: сопротивления (рис. 4.5, а) и термопарный (рис. 4.5, б).

В обеих конструкциях чувствительным элементом является нагретая путем пропускания электрического тока платиновая нить 1, расположенная в вакуумном баллоне 2. При увеличении разрежения среды её теплопроводность будет уменьшаться, следовательно, нагретая платиновая нить будет хуже отдавать тепло стенкам баллона, в результате чего ее температура будет возрастать. Измеряя температуру нити, можно судить о величине вакуума. Чтобы исключить теплопередачу от нити к стенкам баллона за счет лучеиспускания, максимальная температура нити должна быть примерно 100 ºС. Эти два типа вакуумметра различаются только способом измерения температуры, нити. В вакуумметре сопротивления температуру измеряют термометром сопротивления, которым служит сама нить, а в термопарном вакуумметре — термопарой 4. Датчик к измеряемой схеме подключается через электрические вводы 3, a к объекту измерения — через соединительную трубку 5.
В вакуумметрах с термосопротивлением измерение температуры нити и ее нагрев путем пропускания электрического тока осуществляются при помощи мостовой схемы, в одно из плеч которой включена нить вакуумметра. Температура нити измеряется милливольтметром, установлен­ным в диагональ моста. Во второй диагонали находится источник питания моста постоянным током.
В термопарных вакууммет­рах температуру нити накала измеряют хромель-копелевой термопарой, которая соединена с нитью при помощи крючка из тонкой проволоки.

Пьезоэлектрические манометры. Пульсирующие с высокой частотой давления измеряют с помощью манометров, построенных на использовании пьезоэлектрических эффектов. Под пьезоэлектрическим эффектом понимают появление электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллических диэлектриков при их деформации. Чувствительным элементом в пьезоэлектрических манометрах, преоб­разующим механические напряжения в колебания электрического тока, являются пластины из кварца, титаната бария или керамики типа ЦТС (цирконат-титанат свинца).

Датчик пьезоэлектрического манометра представлен на рис. 4.6. Измеряемое, давление через мембрану 1 действует на два пьезоэлемента 2 и 3 из пьезокерамики ЦТС, расположенных так, что на их внутренних гранях, соприкасающихся с металлической прокладкой 7, возникают одноименные заряды. Потенциал с внутренних граней пластинок снимается тщательно изолированным проводником 6, присоединенным к прокладке 7, а с внешних граней пьезоэлементов — через корпус и метал­лические прокладки 8 и 10, мембрану 1 и шарик 4. Применение шарика 4 и колпачка 5 способствует более равномерно­му распределению контактного давления по поверхности пласти­нок. Штуцер 9, зажимающий мембрану 1, служит для присоедине­ния чувствительного элемента к объекту измерения. Пьезоэлементы располагают обычно таким образом, что отри­цательные электрические заряды возбуждаются на электроде 7 и от него по проводнику 6 подаются к измерительной схеме прибора.

Положительные заряды через корпус отводятся на землю. Величина электрического заряда прямо пропорциональна давлению;
q=kPS (4.12)
где q — заряд, Кл;
k— пьезоэлектрическая, постоянная, Кл/Н;
Р—давление, Па;
S — поверхность пластин, м².
Измерения заряда осуществляют обыч­но сложной электронной схемой. Заряды, возникающие на пьезоэлементах, не могут сохраняться длительное время из-за утечек в элементах измерительной схемы, поэтому пьезоэлектрический метод применяют для измерения быстроменяющихся давлений.