Електричні манометри та вакуумметри
Дія даних приладів грунтується на прямому чи непрямому перетворенні тиску в електричний параметр, який має з ним функціональний зв’язок.
Ці прилади застосовуються головним чином в лабораторній практиці для проведення відповідних досліджень.
- Манометри електричного опору
Дія приладу грунтується на зміні електричного опору провідника (одношарова котушка діаметром 8 мм намотана, наприклад, манганіновим проводом, діаметром 0,05мм, електричний опір якої становить 180…200 Ом) під дією зовнішнього надлишкового тиску.
Якщо позначити електричний опір провідника (котушки) через 
, тиск через 
а зміну опору через 
, то можна записати, що
, (4.18)
де 
- п’єзокоефіцієнт, величина якого залежить від матеріалу (для манганіна він знаходиться в межах 
).
З (4.18) випливає
. (4.19)
Для вимірювання опору можна застосувати будь-який вимірювач електричних опорів, наприклад, електричний зрівноважений міст (рис. 4.16).
Іншим чутливим елементом манометра електричного опору є комбінований перетворювач з мембраною (рис.4.11 і рис.4.12) та тензорезисторним перетворювачем (рис. 4.16).
При вимірюванні тиску можна також користуватись формулою (4.19). Опір тензорезисторного перетворювача при температурі 
звичайно становить 80…600 Ом.
Електрична вимірювальна схема в цьому випадку аналогічна попередній (рис. 4.16).
|
|
|
На рис. 4.16 деформація вимірювальної мембрани під дією зовнішнього тиску призводить до деформації тензорезисторного перетворювача 
, який увімкнено в одне з плечей вимірювального мосту. В інші плечі увімкнено постійні резистори 
, 
та 
. В результаті цього відбувається розбаланс вимірювального мосту, який перетворюється електронним блоком в уніфікований вихідний електричний сигнал, що надсилається до вторинного вимірювального приладу манометра.
Рис. 4.16. Вимірювальна схема тензорезистивного манометра
До переваг тензорезистивних перетворювачів відноситься лінійність характеристики 
та незначна інерційність, до недоліків - мала чутливість і залежність від температури.
- Ємнісні манометри
Схема вимірювального перетворювача тиску, яка оснащена мембраною та ємнісним перетворювачем наведена на рис.4.17.
Рис. 4.17. Схема ємнісного перетворювача тиску
Вимірюваний тиск сприймається металевою мембраною 1, яка є рухомим електродом ємнісного перетворюючого елемента. Нерухомий електрод 2 ізолюється від корпусу з допомогою ізоляторів. Залежність ємності 
перетворювального елемента від переміщення 
визначається з (1.5).
Для перетворення 
в сигнал вимірювальної інформації звичайно використовують вимірювальні мости змінного струму (високочастотні) або резонансні 
-контури.
|
|
|
Ємнісні манометри застосовують для вимірювання тиску до 120 МПа. Товщина мембрани дорівнює 0,05–1 мм. Основна похибка вимірювання становить 
- П’єзоелектричні манометри на основі п’єзоелектричного перетворювача тиску.
В основу дії цих перетворювачів покладено перетворення вимірюваного тиску в силу за допомогою деформаційного чутливого елемента і подальшого перетворення цієї сили в сигнал вимірюваної інформації.
На рис. 4.18 показано схему п’єзоелектричного перетворювача тиску в п’єзоелектричному манометрі.
Рис. 4.18. Схема п’єзоелектричного перетворювача тиску
Вимірюваний тиск перетворюється мембраною 4 в силу, яка викликає стискання стовпчиків кварцевих пластин 2, діаметром 5 мм і товщиною 1 мм.
Електричний заряд 
, що виникає, через виводи 1 подається на електронний підсилювач 5.
Величина заряду зв’язана з вимірювальним тиском залежністю
, (4.20)
де - п’єзоелектричний коефіцієнт (для кварца 
); 
- ефективна площа мембрани.
Для зменшення інерційності перетворювача, об’єм камери 3 також максимально зменшують.
|
|
|
Оскільки частота власних коливань системи «мембрана-кварцеві пластини» складає десятки кілогерц, то вимірювальні перетворювачі цього типу мають високі динамічні характеристики, що обумовлює їх широке застосування при контролі тиску в системах з швидкоплинними процесами.
Межа вимірювання тиску такими манометрами становить 2,5–100,0 МПа.
Клас точності 1,5; 2,0.
У зв’язку з витоком заряда з кварцевих пластин вимірювальні засоби такого типу не використовують для вимірювання статичних тисків.
- Теплопровідні манометри
При низьких тисках, коли довжина вільного пробігу молекул співмірна з геометричними розмірами посудини, теплопровідність газу залежить від тиску.
Цю залежність використовують в теплопровідних манометрах, які застосовують для вимірювання тиску газів в межах від 0,0133 до 1333 Па.
Манометр складається з нагрівача і термометра (терморезистивного чи термоелектричного), який поміщено у посудину, де контролюється тиск.
На рис.4.19 наведено схему теплопровідного манометра низького тиску з терморезистором, який увімкнено у мостову схему.
В два плеча мостової схеми увімкнено металеві або напівпровідникові терморезистори 
і 
, які нагріваються електричним струмом, а в інші плечі – постійні резистори і .
|
|
|
Резистор знаходиться у вимірюваному середовищі. Резистор виконує роль температурного компенсатора і запаяний у балон.
Зі зміною тиску газу, змінюється його теплопровідність, що призводить до зміни електричного опору , а звідси до розбалансу вимірювального мосту.
Рис. 4.19. Схема теплопровідного манометра з терморезистором
В манометрах з термоелектричним термометром (рис.4.20) вимірюється не опір, а температура провідника. Температуру вимірюють термоелектричним термометром, термо-ЕРС якого є функцією вимірюваного тиску.
Рис. 4.20. Схема манометра з термоелектричним термометром
Манометр (рис. 4.20) складається з нагрівача 1 та термо-електричного термометра 2, що вимірює його температуру. Елемент нагрівається від джерела струму 3, термо-ЕРС термопари вимірюється мілівольтметром 4. Елемент 1 нагрівається до температури порядка 
.
Теплопровідні манометри градуюються по відповідному газу, для якого вони призначені.
- Іонізаційні вакуумметри і манометри
Іонізаційні вакуумметри з розжареним катодом призначені для вимірювання вакууму в межах від 133,3 до 
МПа.
Дія вакуумметра грунтується на іонізації молекул газу потоком електронів, які випромінює розжарений катод або радіоактивна речовина. В першому випадку перетворювачем є триелектродна манометрична лампа, балон 1 якої з’єднано з вимірюваним середовищем (рис. 4.21).
Рис. 4.21. Схема іонізаційного вакуумметра
В балоні знаходиться вольфрамова нитка (катод) 2, сітка 3 і анод-коллектор 4. Електрони, що вилітають з катоду, притягуються позитивно зарядженим анодом. В залежності від тиску газу, електрони на своєму шляху іонізують більше чи менше число молекул.
Іони збираються колектором і створюють струм, сила 
якого пропорційна силі анодного струму 
і тиску газу
. (4.21)
де - коефіцієнт пропорційності, який залежить від геометричних розмірів перетворювача і складу газу.
В іншому випадку при незначних вимірюваних тисках і невеликих розмірах радіаційних манометрів, ефективніше застосовувати 
-випромінювання, яке характеризується найвищою іонізаційною здатністю на 1 см довжини пробігу частинки.
Принципова схема приладу для вимірювання тиску газу з радіоізотопним іонізатором, який розміщено всередині камери, наведено на рис. 4.22.
Рис. 4.22. Схема - іонізаційного манометра:
1 – іонізаційна камера; 2 – радіоактивний ізотоп (випромінювач); 3 – колектор іонів; 4 і 5 – екрани; 6 – подільник; 7 – вимірювальний прилад
Якщо розміри іонізаційної камери менші довжини пробігу -часток, то сила іонізаційного струму 
на від’ємно зарядженому колекторі буде лінійною функцією тиску
, (4.22)
де - постійна приладу.
Для зменшення впливу зовнішніх чинників іонізаційні камери монтуються в одному корпусі з першим каскадом електронного підсилювача.
В якості випромінювача можуть бути ізотопи радія, торія, полонія тощо.
Запитання для самоконтролю
1. Принцип дії манометрів електричного опору.
2. Манометр електричного опору на основі комбінованого перетворювача "мембрана-тензорезистивний перетворювач".
3. Принципова схема тензорезистивного манометра.
4. Ємнісні манометри.
5. П’єзоелектричні манометри.
6. Теплопровідний манометр з терморезистором.
7. Принципова схема манометра з термоелектричним термометром..
8. Принципова схема іонізаційного вакуумметра.
9. Принципова схема - іонізаційного манометра.
Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 783; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!