Методы измерений

Введение Вопросами теории измерений, средствами обеспечения их единства и способов достижения необходимой точности занимается специальная наука – метрология. В задачу метрологии входит установление единиц измерения, определение способов передачи размера единицы от эталонов до измеряемого объекта через ряд промежуточных звеньев.
Измерение давления необходимо практически в любой области нау­ки и техники как при изучении происходящих в природе физических процессов, так и для нормального функционирования технических уст­ройств и технологических процессов, созданных человеком. Давление определяет состояние веществ в природе (твердое тело, жидкость, газ). Чрезвычайно многообразно применение давления в науке, технике и производстве. Энергетические возможности тепло- и гидроэлектростан­ций и атомных электростанций определяются давлением пара или воды на лопасти турбин, под действием давления по каналам и трубопроводам на тысячи километров транспортируется вода, нефть и газ. Давление при­водит в движение автомобили и самолеты, геодезические ракеты и космические корабли, открывает и закрывает двери лифта, вагонов метропоездов, троллейбусов и автобусов, подает воду и газ в квартиры наших домов. Посредством давления осуществляется работа разнообразных стан­ков, механизмов и установок в различных отраслях производства. По давлению контролируют состояние рабочих сред в различных тех­нологических процессах нефтехимической промышленности, при произ­водстве искусственных волокон и пр. Во многих отраслях науки при проведении физических, термодинамических и метрологических исследо­ваний (определение концентрации газов в твердых веществах, констант уравнений состояния различных веществ, эталонные температурные и ли­нейные измерения) также требуется измерять давление [1]. Давление характеризует напряженное состояние жидкостей и газов в условиях всестороннего сжатия и определяется частным от деления нормальной к поверхности силы на площадь этой поверхности , (1) где р — давление; N — нормальная сила, действующая на поверхность; F — площадь поверхности. При этом принимается, что нормальная сила равномерно распределе­на по поверхности, а в жидкости или газе отсутствуют касательные на­пряжения. Так как действующая сила всегда перпендикулярна к поверх­ности вне зависимости от ее расположения, то давление является скаляр­ной величиной [2]. Понятие давления как физической величины во всех его проявлени­ях едино. Вместе с тем, во многих естественных природных явлениях и в различных технических устройствах и процессах определяющим являет­ся не само давление, а его значение относительно другого. Например, под действием разности двух давлений по магистральным трубопроводам транспортируются нефть и газ из Сибири. При сравнении значений двух давлений одно из них принимается за начало отсчета их разности. По этому признаку различают следующие виды давлений. Абсолютное давление — давление, значение которого при измерении отсчитывается от давления, равного нулю. Абсолютное давление воздуш­ной оболочки Земли на ее поверхность называется атмосферным давле­нием. С учетом специфики каждого из видов давления при измерениях применяются специальные средства измерений - манометры и измери­тельные преобразователи давления. Манометр — измерительный прибор или измерительная установка для измерения давления или разности давлений с непосредственным от­счетом их значения. Измерительный преобразователь давления (датчик) — первичный преобразователь, выходной сигнал которого функционально связан с из­меряемым давлением или разностью давлений. Выходной сигнал датчика вторичными приборами преобразуется в показания значения давления или поступает в различные системы управления и регулирования [2]. В соответствии с видами измеряемого давления применяют следую­щие виды средств измерения давления: манометр абсолютного давле­ния — манометр для измерения абсолютного давления; барометр — ма­нометр для измерения атмосферного давления; манометр избыточного давления — манометр для измерения положительного избыточного дав­ления; вакуумметр1) - манометр для измерения отрицательного избыточного давления: мановакуумметр — манометр, для измерения как поло­жительного, так и отрицательного избыточного давления; дифферен­циальный манометр (дифманометр) — манометр для измерения разнос­ти двух давлений, каждое из которых отличается от атмосферного давле­ния; микроманометр — дифференциальный манометр для измерения ма­лых разностей двух давлений, каждое из которых существенно больше их разности.
Единицы измерения давления Когерентной единицей Международной системы единиц (СИ) являет­ся паскаль (Па). По определению единица давления паскаль пред­ставляет собой отношение единицы силы Ньютона к единице площади квадратному метру: 1 Па= 1 Н/м2 = 1 кг/(м•с2) Наиболее близка к СИ единица давления бар (бар), размер, которой очень удобен для практики (1 бар = 1•105 Па). В применяемых до настоящего времени жидкостных манометрах мерой измеряемого давления является высота столба жидкости. Поэтому естественно применение единиц давления, определяемых высотой столба жидкости, т. е. основанных на единицах длины. В странах с метрически­ми системами мер получили распространение единицы давления милли­метр и метр водяного столба (мм вод. ст. и м вод. ст.) и миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.). Размеры этих единиц давления пересчитываются в единицы СИ на основании формулы (2) где Н - высота столба жидкости, м, р - плотность жидкости, кг/м3, g -ускорение свободного падения, м/с2. 1) Вакуумметрами часто называют манометры, предназначенные для измерения низких абсолютных давлений, существенно меньших, чем атмосферное давление (в вакуумной технике). Методы и средства измерения давления Методы измерения давления во многом предопределяют как принци­пы действия, так и конструктивные особенности средств измерений. В этой связи в первую очередь следует остановиться на наиболее общих ме­тодологических вопросах техники измерения давления. Давление, исходя из самых общих позиций, может быть определено как путем его непосредственного измерения, так и посредством измере­ния другой физической величины, функционально связанной с измеряе­мым давлением. В первом случае измеряемое давление воздействует непосредствен­но на чувствительный элемент прибора, который передает информацию о значении давления последующим звеньям измерительной цепи, преоб­разующим ее в требуемую форму. Этот метод определения давления яв­ляется методом прямых измерений, и получил наибольшее распростране­ние в технике измерения давления. На нем основаны принципы действия большинства манометров и измерительных преобразователей давления. Во втором случае непосредственно измеряются другие физические величины или параметры, характеризующие физические свойства изме­ряемой среды, значения которых закономерно связаны с давлением (температура кипения жидкости, скорость распространения ультразву­ка, теплопроводность газа и т. д.). Этот метод является методом косвен­ных измерений давления и применяется, как правило, в тех случаях, когда прямой метод по тем или иным причинам неприменим, например, при измерении сверхнизкого давления (вакуумная техника) или при изме­рении высоких и сверхвысоких давлений [1].
Давление является производной физической величиной, определяе­мой тремя основными физическими величинами — массой, длиной и вре­менем. Конкретная реализация значения давления зависит от способа воспроизведения единицы давления. При измерении по формуле (1) давление определяется силой и площадью, а по формуле (2) — длиной, плотностью и ускорением. Методы определения давления, основанные на измерении указанных величин, являются абсолютными (фундамен­тальными) методами и применяются при воспроизведении единицы дав­ления эталонами грузопоршневого и жидкостного типа, а также позволя­ют, при необходимости, производить аттестацию образцовых средств измерений.
Относительный метод измерений, в отличие от абсолютного, основан на предварительном исследовании зависимости от давления физических свойств и параметров чувствительных элементов средств измерения дав­ления при методах прямых, измерений или других физических величин и свойств измеряемой среды — при методах косвенных измерений. На­пример, деформационные манометры перед их применением для измерения давления должны быть сначала отградуированы по образцовым средствам измерений соответствующей точности. Помимо классификации по основным методам измерений и видам давления, средства измерений давления классифицируют по принципу действия, функциональному назначению, диапазону и точности измере­ний. Наиболее существенный классификационный признак — принцип действия средства измерения давления, в соответствии с ним и построе­но дальнейшее изложение. Современные средства измерений давления представляют собой измерительные системы, звенья которых имеют различное функциональное назначение. Обобщенные блок-схемы манометров и измерительных преобразователей давления приведены соответственно на рис. 1, а и б. Важнейшим звеном любого средства измерения давления является его чувствительный элемент (ЧЭ), который воспринимает измеряемое давление и преобразует его в первичный сигнал, поступающий в измеритель­ную цепь прибора. С помощью промежуточных преобразователей сигнал от ЧЭ преобразуется в показания манометра или регистрируется им, а в измерительных преобразователях (ИНД) - в унифицированный выходкой сигнал, поступающий в системы измерения, контроля, регулирования и управления. При этом промежуточные преобразователи и вто­ричные приборы во многих случаях унифицированы и могут приме­няться в сочетании с ЧЭ различных типов. Поэтому принципиальные особенности манометров и ИПД зависят, в первую очередь, от типа ЧЭ [1]. Рис. 1. Структурные блок-схемы: а — манометра; б — измерительного преобразователя давле­ния; р — измеряемое давление; 1 — чувствительный эле­мент (первичный преобразователь) ; 2 — промежуточные преобразователи; 3 — показания; 4 — регистрация; 5 — выходной сигнал; → к системам: I — измерения и контроль; II - регистрации; III — регулирования; IV – управления По принципу действия ЧЭ средства измерения давления можно разделить на следующие основные группы. 1. Средства измерения давления, основанные на прямых абсолютных методах: поршневые манометры и ИПД, в том числе и грузопоршневые манометры, манометры с нецилиндрическим неуплотненным поршнем, колокольные, кольцевые и жидкостные манометры. В первых трех манометрах метод измерений реализуется уравнением (1), основанным на определении величины давления по отношению си­лы к площади; в жидкостных манометрах - уравнением (2) , основан­ным на уравновешивании давления столбом жидкости. 2. Средства измерения давления, основанные на прямых относитель­ных методах: деформационные манометры и ИПД, в том числе и с силовой компенсацией; полупроводниковые манометры и ИПД; манометры других типов, основанные на изменении физических свойств ЧЭ под дей­ствием давления. 3. Средства измерения давления, основанные на методах косвенных измерений: установки и приборы для определения давления по результа­там измерения других физических величин; установки и приборы для определения давления по результатам измерения параметров физических свойств измеряемой среды (термопарные и ионизационные вакууммет­ры, ультразвуковые манометры, вязкостные вакуумметры и др.). Следует отметить, что абсолютные методы измерений, заложенные в поршневых и жидкостных манометрах, во многих случаях на практике не реализуются. Например, жидкостные манометры, исключая первичные эталоны, градуируются и поверяются не абсолютным, а относительным методом, путем их сличения с образцовыми средствами измерений соот­ветствующей точности. Глава 1. Методы прямых измерений давления 1.1. Жидкостные манометры Вопросы водоснабжения для человечества всегда были очень важными, а особую актуальность приобрели с развитием городов и появлением в них различного вида производств. При этом все более актуальной становилась проблема измерения давления воды, т. е. напора, необходимого не только для обеспечения подачи воды через систему водоснабжения, но и для приведения в действие различных механиз­мов. Честь первооткрывателя принадлежит крупнейшему итальянскому художни­ку и ученому Леонардо да Винчи (1452-1519 гг.), который впервые применил пьезометрическую трубку для измерения давления воды в трубопроводах. Дальнейшее развитие науки и техники привело к появлению большого коли­чества жидкостных манометров различных типов, применяемых до настоящего вре­мени во многих отраслях: метеорологии, авиационной и электровакуумной техни­ке, геодезии и геологоразведке, физике и метрологии и пр. Однако, в силу ряда специфических особенностей принципа действия жидкостных манометров их удель­ный вес по сравнению с манометрами других типов относительно невелик и, веро­ятно, будет уменьшаться и в дальнейшем. Тем не менее при измерениях особо вы­сокой точности в области давлений, близких к атмосферному давлению, они пока незаменимы. Не потеряли своего значения жидкостные манометры и в ряде других областей (микроманометрии, барометрии, метеорологии, при физико-технических исследованиях). 1.1.1. Основные типы жидкостных манометров и принципы их действия Принцип действия жидкостных манометров можно проиллюстриро­вать на примере U-образного жидкостного манометра (рис. 2, а), состоя­щего из двух соединенных между собой вертикальных трубок 1 и 2, наполовину заполненных жидкостью. Рис. 2. Основные типы жидкостных манометров В соответствии с законами гидро­статики при равенстве давлений р1 и р2 свободные поверхности жидкос­ти (мениски) в обеих трубках установятся на уровне I-I. Если одно из давлений превышает другое (р1 >р2), то разность давлений вызовет опускание уровня жидкости в трубке 1 и, соответственно, подъем в труб­ке 2, вплоть до достижения состояния равновесия. При этом на уровне II-II уравнение равновесия примет вид: Δр=р1 -р2 = Н - р • g , (3) т. е. разность давлений определяется давлением столба жидкости высо­той Н с плотностью р.
Уравнение (2) с точки зрения измерения давления является фундаментальным, так как давление, в конечном итоге, определяется основ­ными физическими величинами - массой, длиной и временем. Это урав­нение справедливо для всех без исключения типов жидкостных маномет­ров. Отсюда следует определение, что жидкостный манометр - манометр, в котором измеряемое давление уравновешивается давлением столба жидкости, образующегося под действием этого давления. Важно подчеркнуть, что мерой давления в жидкостных манометрах является высота столба жидкости. Именно это обстоятельство привело к появле­нию единиц измерений давления мм вод. ст., мм рт. ст. и других которые естественным образом вытекают из принципа действия жид­костных манометров.
Чашечный жидкостный манометр (рис. 2, б) состоит из соединенных между собой чашки 1 и вертикальной трубки 2, причем площадь попереч­ного сечения чашки существенно больше, чем трубки. Поэтому под воз­действием разности давлений Δр изменение уровня жидкости в чашке гораздо меньше, чем подъем уровня жидкости в трубке: Н1 = Н2 • f/F, гае Н1 - изменение уровня жидкости в чашке.; Н2 - изменение уровня жидкости в трубке; f - площадь сечения трубки; F - площадь сечения чашки. Отсюда высота столба жидкости, уравновешивающей измеряемое давление Н = Н1 + Н2 = Н2 (1 + f/F), (4) а измеряемая разность давлений р1-p2=Н2•g(1+f/ F), (5) Поэтому при известном коэффициенте k = 1 + f/F разность давлений может быть определена по изменению уровня жидкости в одной трубке, что упрощает процесс измерений. Двухчашечный манометр (рис. 2, в) состоит из двух соединенных при помощи гибкого шланга чашек 1 и 2, одна из которых жестко за­креплена, а вторая может перемещаться в вертикальном направлении. При равенстве давлений pl и р2 чашки, а следовательно, свободные по­верхности жидкости находятся на одном уровне I-I. Если р1 > р2, то чашка 2 поднимается вплоть до достижения равновесия в соответствии с уравнением (3). Единство принципа действия жидкостных манометров всех типов обусловливает их универсальность с точки зрения возможности изме­рения давления любого вида — абсолютного и избыточного и разности давлений. К важной метрологической характеристике средств измерения дав­ления относится чувствительность измерительной системы, которая во многом определяет точность отсчета при измерениях и инерционность. Для манометрических приборов под чувствительностью понимается от­ношение изменения показаний прибора к вызвавшему его изменению давления (п =ΔН/Δр). Диапазоны измерений жидкостных манометров в соответствии с (2) определяются высотой столба жидкости, т. е. размерами маномет­ра и плотностью жидкости. Наиболее тяжелой жидкостью в настоящее время является ртуть, плотность, которой р = 1,35951 • 104 кг/м . Столб ртути высотой 1 м развивает давление около 136 кПа, т. е. давле­ние, не из много превышающее атмосферное давление. Поэтому при из­мерении давлений порядка 1 МПа размеры манометра по высоте соизме­римы с высотой трехэтажного дома, что представляет существенные экс­плуатационные неудобства, не говоря о чрезмерной громоздкости кон­струкции. Тем не менее, попытки создания сверхвысоких ртутных ма­нометров предпринимались. Мировой рекорд был установлен в Париже, где на базе конструкций знаменитой Эйфелевой башни был смонтирован манометр высотой ртутного столба около 250 м, что соответствует 34 МПа. В настоящее время этот манометр разобран в связи с его бес­перспективностью. 1.1.2. Жидкостно-поршневые манометры Очень часто к жидкостным манометрам относят приборы, измери­тельная система которых хотя и содержит в качестве одного из элемен­тов жидкость, но по принципу действия в корне отличается от жидкост­ных манометров. К таким приборам относится дифференциальный мано­метр типа „кольцевые весы" (рис. 3), состоящий из тороидального кор­пуса 1, внутренняя полость которого в верхней части разделена перего­родкой 2, а нижняя часть до половины заполнена жидкостью 4. Таким образом, корпус имеет две измерительные камеры А и Б, в которые че­рез гибкие шланги подаются измеряемые давления pl и р2. Корпус мо­жет поворачиваться относительно опоры 3, расположенной в его геомет­рическом центре. К нижней части корпуса прикреплен противовес 5. При равенстве давлений в камерах А и Б корпус прибора располага­ется в соответствии с рис. 4, а. Если одно из давлений больше другого, например, р1 > р2 то под действием разности давлений Δр = p1 – р2, воздействующей на перегородку, корпус повернется на определенный угол α, а уровни жидкости внутри корпуса займут положения, соответствующие рис. 4, б. При этом уравнения равновесия измерительной сис­темы принимают вид , (6) Рис. 3. Дифференциальный манометр типа „Кольцевые весы" где F — площадь перегородки (внутренняя площадь поперечного сечения тороида); r1 — средний радиус тороида; R2 — расстояние от оси враще­ния до центра тяжести противовеса; т — масса противовеса; g — ускоре­ние свободного падения; α — угол поворота корпуса. Таким образом, давление определяется массой противовеса, геомет­рическими параметрами прибора и углом поворота корпуса, а роль за­полняющей измерительную систему жидкости сводится к созданию жид­костного затвора между камерами А и Б. Поэтому по виду первичного преобразования - давления в силу, действующую на перегородку, - прибор аналогичен поршневым манометрам. Еще в большей мере сказанное относится к колокольным манометрам, применяемым в качестве образцовых и эталонных приборов. Основ­ные элементы измерительной системы манометра (рис. 4) : наполовину заполненный водой сосуд 5, цилиндрический колокол 3, подвеска 2 с чашкой 6 для наложения грузов 7, рычаг 1 весового компаратора с ука­зателем положения равновесия 8 и подвески 9 с тарировочным грузом 10. Измеряемое давление подводится под колокол трубкой 4. Измерительной камерой прибора является внутренняя полость коло­кола, ограниченная дном и внутренней поверхностью цилиндрической части колокола и свободной поверхностью жидкости в его нижней части. При проведении измерений камера предварительно сообщается с атмо­сферным давлением и вес частично погруженного в жидкость колокола уравновешивается тарировочным грузом 10. Рис. 4. Измерительная система манометра Тогда при подаче в камеру измеряемого давления для сохранения положения равновесия на чашку 6 необходимо наложить грузы 7, вес которых и является мерой измеря­емого давления. При этом давление в камере будет уравновешиваться противодавлением столба жидкости в кольцевом зазоре между наруж­ной поверхностью колокола и внутренней поверхностью сосуда 5. Таким образом, роль жидкости так же, как и в вышеописанном приборе, огра­ничивается созданием жидкостного затвора для удержания давления в измерительной камере, так как составляющими сил давления на боко­вую поверхность колокола в вертикальном направлении при условии со­блюдения технологии его изготовления можно пренебречь.
1.2. Поршневые манометры Поршневые манометры появились позже жидкостных. Впервые поршневой манометр был применен для измерения давления в 1833 г. Парротом и Ленцем (Российская Академия наук) при изучении сжимаемости воздуха и других свойств газов, причем значение давления для того времени было очень большим (10 МПа). Дальнейшее развитие поршне­вой манометрии шло, в основном, в сторону увеличения точности и верхних пре­делов измерений, а, начиная с тридцатых годов текущего столетия поршневые ма­нометры стали вытеснять жидкостные и при точных измерениях давлений, близких к атмосферному давлению.
Большой вклад в развитие поршневой манометрии внесли проф. М.К. Жохов-ский, который впервые разработал целостную теорию приборов с неуплотненным поршнем, П.В. Индрик, В.Н. Граменицкий и многие другие их последователи. В настоящее время в нашей стране и за рубежом поршневые манометры иг­рают ведущую роль при поверке и испытаниях манометрических приборов в ши­роком диапазоне давлений от 1 кПа до десятков тысяч МПа и находят все боль­шее применение в качестве национальных государственных эталонов давления. 1.2.1. Принцип действия, основы теории и типы поршневых манометров На рис.5 изображен простейший поршневой манометр, который состоит из цилиндрического поршня 1, притертого к цилиндру 2 с ми­нимально возможным зазором. Если на ниж­ний торец поршня действует измеряемое дав­ление р, то для его уравновешивания к порш­ню должна быть приложена сила Р. Уравнение равновесия с учетом силы трения на боковую поверхность поршня, возникшей при протека­нии жидкости или газа через зазор между поршнем и цилиндром под действием изме­ряемого давления, имеет вид рF = P-T, (7) где F — геометрическая площадь поперечного сечения поршня; Т — сила жидкостного трения на боковую поверхность поршня. Рис. 5. Простейший порш­невой манометр Наиболее часто измеряемое давление уравновешивают весом грузов, что явно предпочтительно с точки зрения достижения высокой точности измерений, хотя и представляет известные неудобства в эксплуатации. Благодаря высокой стабильности эффективной площади, которая определяется в основном геометрическими размерами пары поршень - цилиндр, а также возможности учета внешних влияний расчетными методами, поршневые манометры являются идеальными преобразова­телями давления в силу. Наиболее существенное достоинство поршневых манометров со­стоит в том. что они непосредственно воспроизводят давление по опре­делению: давление равно силе, деленной на площадь поршня. Этот ме­тод так же, как и метод уравновешивания давления столбом жидкости, является фундаментальным, т. е. измерение давления в конечном итоге сводится к измерению массы, длины и времени. Вышеизложенное по­зволяет сформулировать следующее определение. Поршневой манометр — манометр, в котором действующее на пор­шень измеряемое давление преобразуется в силу и определяется по зна­чению силы, необходимой для ее уравновешивания. В наиболее распрос­траненных поршневых манометрах давление уравновешивается весом грузов. Такие манометры называются грузопоршневыми. Одно из обязательных условий, обеспечиваю­щих возможность выполнения измерения — сохранение постоянства из­меряемого давления при его измерении. В жидкостно-поршневых мано­метрах это достигается уравновешиванием измеряемого давления гидро­статическим давлением столба жидкости. Например, в колокольном манометре столб образуется в кольцевом пространстве между боковыми поверхностями колокола и сосуда, в которой залита разделительная жидкость (гидростатический затвор). В отличие от этого в поршневых манометрах постоянство давления в измерительной камере поддержива­ется благодаря гидравлическому сопротивлению протекания жидкости через зазор между поршнем и цилиндром (гидродинамический затвор). При этом ввиду малости зазора (1-2 мкм) гидравлическое сопротивле­ние позволяет поддерживать постоянство давления с допускаемыми от­клонениями. Не обеспечивая полную герметичность, гидродинамический затвор обладает очень важным преимуществом - измеряемое давление практически не влияет на размеры прибора, в то время как во всех жид­костных манометрах высота столба жидкости, необходимая для уравновешивания, прямо пропорциональна измеряемому давлению. Измерительные системы поршневых манометров могут быть класси­фицированы по различным признакам: форме и конструкции поршне­вых пар, уравновешенности собственного веса поршня и способам его уравновешивания, видам измеряемой среды, способам уравновешивания измеряемого давления, назначению поршневого манометра, виду измеря­емого давления и пр. Основные конструктивные формы цилиндрических поршневых пар, представленные на рис. 6, позволяют осуществить преобразование из­меряемого давления в силу или в давление другого назначения. Различные формы поршневых пар при их применении в поршневых манометрах для измерения различных видов давления имеют свои пре­имущества и недостатки. Рис. 6. Формы цилиндрических поршневых пар При измерении избыточного давления наиболее предпочтительны од­ноступенчатые поршневые пары (рис. 6, а), которые обеспечивают мак­симальную конструктивную простоту манометров и технологичность их изготовления. При этом масса грузов, которые, как правило, применяют­ся для уравновешивания измеряемого давления, при измерении избыточ­ного давления (рабс > ратм) прилагается непосредственно к верхнему торцу 2 поршня; а при измерении отрицательного избыточного давления (рабс При измерении абсолютного давления и разности применение одно­ступенчатой поршневой пары приводит к существенному усложнению конструкции поршневого манометра и методики выполнения измерений. Так, при измерении абсолютного давления пространство над верхним торцом 2 поршня должно быть вакуумировано, что приводит к необхо­димости герметизации верхней части прибора, а это существенно услож­няет процесс наложения уравновешивающих грузов при измерении дав­ления. В данном случае более предпочтительно применение трехступенча­той поршневой пары (рис. 6, в), которая позволяет подводить измеряемое и опорное давления непосредственно в замкнутые измерительные камеры 2 и 3. При этом обеспечивается свободный доступ к верхнему торцу 4 поршня при наложении уравновешивающихся грузов. Двухступенчатые (дифференциальные) поршневые пары (рис. 6. б) наиболее часто применяются для многократного уменьшения измеря­емого давления при измерении высоких избыточных давлений или уве­личения измеряемого давления при измерении низких давлений. Показания поршневых манометров, как и любых других приборов, зависят от условий, в которых проводятся измерения. Поэтому, несмот­ря на то, что поршневые манометры являются наиболее стабильными по сравнению с манометрами других типов, в их показания при измерениях высокой точности необходимо вводить соответствующие поправки, учи­тывающие влияние условий измерений, k ним относятся влияние темпе­ратуры окружающей среды, деформации поршня и цилиндра под дейст­вием измеряемого давления, а для поршневых манометров, в которых измеряемое давление определяется по весу уравновешивающих его гру­зов, необходимо учитывать местное ускорение свободного падения и потерю массы грузов в воздухе.
Перспективы развития поршневых манометров тесно связаны с об­щим развитием науки и техники. Здесь, в первую очередь, следует отме­тить достижения в создании новых материалов поршневых пар, повы­шающих точность их изготовления, прочностные характеристики и изно­состойкость, а также достижения в развитии микроэлектроники, пред­ставляющие новые возможности автоматизации поршневых манометров.
Повышение качества изготовления поршневых пар — одна из важней­ших задач в развитии поршневой манометрии. Применение в качестве материалов поршневых пар сверхтвердых сплавов на основе карбида вольфрама, прочностные характеристики которых (твердость, модуль упругости) существенно выше, чем у обычно применяемых легирован­ных сталей, а температурный коэффициент линейного расширения ниже, позволяет соответственно снизить влияние измеряемого давления и тем­пературы на постоянство эффективной площади поршня и ее стабиль­ность в период эксплуатации манометра. 1.3. Деформационные манометры По мере развития промышленности, особенно в связи с появлением паровых машин и железных дорог, потребовались более удобные, чем жидкостные маномет­ры приборы. Первый деформационный манометр с трубчатым чувствительным элементом был изобретен случайно. Рабочий, при изготовлении змеевика для дистилляционного аппарата, сплющил поперечное сечение цилиндрической трубки, изогнутой по спирали. Тогда, чтобы восстановить форму трубки, один конец ее заглушили, а в другой конец насосом дали давление воды. При этом часть трубки с деформиро­ванным сечением приняла цилиндрическую форму, а спираль на этом участке разо­гнулась. Этот эффект был использован немецким инженером Шинцем, который в 1845 г. применил трубчатый чувствительный элемент для измерения давления. Простота и компактность деформационных манометров, возможность их применения в различных условиях эксплуатации очень быстро поставили их на первое место в технике измерения давления практически во всех отраслях народного хозяйства. Диапазон измерений деформационных манометров охватывает почти 10 порядков, простираясь от 10 Па (1 мм вод.ст.) до 1-2 ГПа (более 10000 кгс/см2). При этом достигается высокая точность измерений, в отдельных случаях погреш­ности измерений не превышают 0,02-0,05 %. 1.3.1. Основные принципы преобразования давления деформационным манометром Принципиальное отличие деформационных манометров от жидкост­ных и поршневых состоит в применении упругого чувствительного эле­мента (УЧЭ) в качестве первичного преобразователя давления. Чувстви­тельный элемент, воспринимающий измеряемое давление, представляет собой упругую оболочку, которая обычно выполняется в форме тела вращения, причем толщина стенки оболочки существенно меньше ее внешних размеров. Под действием измеряемого давления упругая обо­лочка деформируется так, что в любой точке оболочки возникают напря­жения, уравновешивающие действующее на нее давление. Понятие „деформационный манометр" в общем виде может быть сформулировано следующим образом. Деформационный манометр- ма­нометр, в котором измеряемое давление, действующее на упругую обо­лочку УЧЭ, уравновешивается напряжениями, которые возникают в ма­териале упругой оболочки. Таким образом УЧЭ преобразует давление, являющееся входной величиной, в выходную величину, несущую изме­рительную информацию о значении давления. Для УЧЭ естественно вы­брать в качестве выходной величины в зависимости от принципа дейст­вия деформационного манометра: перемещение заданной точки УЧЭ; напряжение в материале заданной точки и усилие, развиваемое УЧЭ под действием давления. Выбор того или иного выходного сигнала УЧЭ определяет способы его дальнейшего преобразования для получения результатов измерения давления, а, следовательно, и принцип действия деформационного мано­метра. В технике измерения давления нашли применение два основных ме­тода: метод прямого преобразования и метод уравновешивающего пре­образования (рис.7). По методу прямого преобразования (рис. 7, а) все преобразования информации о значении давления проводятся в направлении от УЧЭ через посредство промежуточных преобразователей П1, П2, . . ., Пn к устройству И, представляющему резуль­таты измерений давления в требуемой форме. При этом суммарная погреш­ность преобразования опре­деляется погрешностями всех преобразователей, вхо­дящих в измерительный ка­нал. Рис. 7. Методы измерения давления Метод уравновешива­ющего преобразования (рис. 7, б) характеризу­ется тем, что используются две цепи преобразователей: цепь прямого преобразования, состоящая из цепи промежуточных преоб­разователи П1, П2, . . ., Пn, выходной сигнал которой Увых поступает на указатель результата измерений И и, одновременно на цепь обратного преобразования, состоящей из преобразователя ОП. Метод уравновешивания состоит в том, что усилие N, развиваемое УЧЭ, уравновешивается усилием Nоп, создаваемым обратным преобразователем ОП выходного сигнала Iвых цепи прямого преобразования. Поэтому на вход последней поступает лишь отклонение заданной точки УЧЭ от положения равновесия. В отличие от предыдущего метода суммарная погрешность преобра­зования в данном случае почти полностью определяется погрешностью обратного преобразователя. Однако применение метода уравновешивания приводит к усложнению конструкции деформационного манометра В зависимости от назначения и принципа действия отдельные звенья измерительных цепей деформационных манометров могут конструктивно выполняться в виде самостоятельных блоков. Во многих случаях, на­пример, при жестких эксплуатационных условиях на объекте измерения (повышенная или пониженная температура, высокий уровень вибрации труднодоступность места подключения и пр.) целесообразно свести к минимуму количество звеньев, находящихся непосредственно на объекте Конструктивная совокупность этих измерительных элементов с обяза­тельным включением в нее УЧЭ называется датчиком. В то же время указатель результата измерений должен находиться в месте, с более благоприятными условиями, удобном для наблюдателя. Это же касается и остальной части измерительной цепи. Блочный принцип построения целесообразен также и с точки зрения изготовления манометров на разных предприятиях при массовом производстве. 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 Iк 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 Iк, 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. Несмотря на ряд очевидных достоинств (высокая точность, хорошая долговременная стабильность, высокая собственная частота, примени­мость для изготовления небольших серий) фольговые тензорезисторы имеют также и недостатки: относительную дороговизну, в связи с жест­кими допусками на изготовление; невысокую тензочувствительность, свойственную всем металлическим тензорезисторам (k ≈ 2), что требует соответствующего усиления; ограниченные диапазон температур и воз­можности миниатюризации. Тонкопленочные тензорезисторы. Дальнейшие возможности разви­тия тензорезистивных манометров предоставила тонкопленочная техника, получившая в последнее время распространение в различных облас­тях микроэлектроники, в которой, в отличие от фольговой техники, пе­ред нанесением на подложку проводящего материала тензорезисторов на поверхность УЧЭ наносится изоляционный слой, толщиной в несколько мкм, затем низкоомные проводники монтажной схемы и, в последнюю очередь, сам тензорезистор. При этом применяются методы напыления в вакууме, плазменной активации паров требуемых химических веществ и пр., которые позволяют наносить не только металлические пленки, но и поликристаллические материалы с повышенным коэффициентом тензочувствительности (k=30-50). Все это позволяет существенно уменьшить размеры УЧЭ при одновременном уменьшении диапазона измерений. Однако сложность технологии изготовления требует значи­тельных затрат на оборудование. Поэтому изготовление тонкопленоч­ных тензорезисторов рентабельно только при условии их массового про­изводства В отличие от металлических тензорезисторов, сопротивление кото­рых изменяется вследствие деформации поперечного сечения, в полупро­водниковых тензорезисторах чувствительным к натяжению является удельное сопротивление, которое занимает очень широкий диапазон зна­чений. Если удельное сопротивление проводников находится в диапазонах от 10-5 до 10-8 Ом.м, а диэлектриков от 1010 до 1010 Ом.м., то диапазон удельных сопротивлений полупроводников простирается от 10-5 до 104, т. е. охватывает почти 10 порядков. Помимо этого сопротивле­ние полупроводников существенно зависит от содержания в них примесей, подбором которых можно изменять сопротивление в нужном на правлении. Примеси, которые создают в полупроводнике свободные электроны, называют донорными, а сам полупроводник называют n-типа (от „негатив” — отрицательный). Примеси, которые захватывают валент­ный электрон и при этом у одного из атомов полупроводника возникает „дырка”, называют акцепторными (принимающим), а проводимость про водника р-типа (от „позитив” — положительный). Количество свободных носителей зарядов (электронов и дырок) определяет проводимость, а, следовательно, и удельное сопротивление полупроводника. При этом чувствительность удельного сопротивления полупроводникового тензорезистора к его деформации существенно выше, чем изменение сопро­тивления под влиянием изменения поперечного сечения.
Конструктивное выполнение полупроводниковых тензорезисторов аналогично тонкопленочным тензорезисторам (рис. 11, а). Те же техно­логические приемы применяются и при изготовлении полупроводнико­вых тензорезисторов. При этом используются два основных способа: 1. полупроводниковый кремниевый тензорезистор наносится на изоли­рующую сапфировую подложку (КНС структура);
2. полупроводниковый кремниевый тензорезистор с р-проводимостью наносится на кремниевую подложку с n-проводимостью (КНК струк­тура). В зависимости от конструктивного исполнения полупроводниковые тензорезистивные преобразователи применяются для измерения абсолют­ного и избыточного давления (разряжения) и разности давлений. Преимуществами тензорезистивных полупроводниковых преобразо­вателей является: высокий коэффициент тензочувствительности; воз­можность миниатюризации чувствительного элемента; непосредственное применение достижений современной микроэлектроники. К недостаткам полупроводниковых преобразователей относятся: сложность технологии изготовления ЧЭ, что неприемлемо при мелкосе­рийном производстве; хрупкость ЧЭ, что ограничивает их применение в условиях сотрясений, скачков давления; относительно большое влияние температуры на коэффициент тензочувствительности. Последнее особен­но важно для тензорезисторов, основанных на КНК структурах, макси­мальная температура эксплуатации которых ограничена 120°С.
Манометры с силовой компенсацией Все рассмотренные выше деформационные манометры основаны на методе прямого преобразования давления (см. рис. 7, а). Метод урав­новешивающего преобразования давления (см. рис. 7, б), хотя и менее распространен в технике измерения давления, но продолжает сохранять заметную роль в некоторых отраслях промышленности, в которой на­ходят применение манометры с силовым уравновешиванием двух типов: уравновешивание измеряемого давления пневматическим давлением (пневматическая силовая компенсация); уравновешивание измеряемого давления электромагнитными силами (электромагнитная силовая ком­пенсация). При этом во время уравновешивания силы, возникающей в первич­ном ЧЭ под действием измеряемого давления, силой, развиваемой цепью обратной связи, происходит незначительное перемещение первичного ЧЭ, независимо от его жесткости, что позволяет в широких пределах варьи­ровать чувствительность измеряемой системы. 1.3.5. Перспективы развития деформационных манометров По принципу действия деформационные манометры требуют для своей градуировки применения методов и средств, основанных на абсо­лютных методах воспроизведения давления. Повышение их точности, в принципе, ограничено точностью применяемых при градуировке жид­костных и поршневых эталонов, которая характеризуется погрешностя­ми порядка 1 • 10-5 - 5 • 10-5. Это позволило уже в настоящее время создать образцовые деформационные манометры, погрешности которых не превышают 2,5• 10-4 - 5 • 10-4 (0,025—0,05 %). Одно из важнейших направлений развития точных деформационных манометров — разработка портативных образцовых переносных мано­метров, пригодных для контроля рабочих средств измерений на месте их эксплуатации. Переносной манометр содержит переключатели единиц измерений и диапазонов измерений, ручной насос, регулятор объема, корректор ну­ля и штуцер для подключения измеряемого давления. Питание прибора осуществляется от батареек напряжением 12В или от внешнего источни­ка питания. Однако основное назначение деформационных манометров состоит в удовлетворении потребностей различных отраслей промышленности в измерении давления, так как в каждой отрасли существуют свои тре­бования к условиям эксплуатации, формам представления информации, точности и надежности, необходимым габаритным размерам и массе, стоимости приборов и пр. Все это требует совершенствования различных параметров и свойств деформационных манометров, специфика которых определяется их на­значением и принципом действия. Деформационные манометры, основанные на электрических мето­дах преобразования (индуктивные, емкостные и др.), обеспечивая доста­точно высокую точность, нуждаются в совершенствовании методов защи­ты их электрических цепей от воздействия внешних электрических и магнитных полей, особенно при необходимости размещения на расстоя­нии УЧЭ и электроники. Дальнейшее развитие получают металлические и полупроводниковые тензорезистивные деформационные манометры. Технология изготовления кремниевых полупроводниковых тензодатчиков в настоящее время отработана достаточно хорошо и ее совер­шенствование будет продолжаться по мере развития микроэлектроники, Однако при температуре выше 200°С полупроводниковый кремний те­ряет свою тензочувствительность, превращаясь в обычный проводник, что не допускает их применение в условиях высоких температур (внутри работающих автомобильных и реактивных двигателей, в буровых уста­новках глубокого бурения и пр.). Весьма перспективна для этих целей замена кремния на карбид кремния (карборунд). В настоящее время уже созданы транзисторы из карбида кремния на подложке из его окислов, нанесенной на металлическую мембрану. Полупроводниковые свой­ства такого тензорезистора при температуре 650°С аналогичны свойст­вам обычного кремниевого тензорезистора при температуре 20°С. В настоящее время проводятся также разработки полупроводнико­вых тензорезисторов, предназначенных для работы в условиях низких температур (сверхпроводящие магнитные системы термоядерных уста­новок, криогенные накопители энергии, реактивные двигатели на сжи­женном водороде и пр.) в диапазоне от 2 до 100К (от -271 до -173° С). В этих условиях чистые полупроводники превращаются в диэлектрики. Введение в кремний примесей позволяет сохранить тензочувствитель­ность, хотя она существенно снижается. В нашей стране разработан дат­чик такого типа. Глава 2. МЕТОДЫ КОСВЕННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ДАВЛЕНИЯ В отличие от методов прямых измерений давления, на которых ос­нованы рассмотренные ранее жидкостные, поршневые и деформацион­ные манометры, методы косвенных базируются на измерении физичес­ких величин (температуре, объеме), значения которых связаны с давле­нием известными физическими закономерностями, или на изменении фи­зических свойств измеряемой среды под действием давления (теплопро­водности, вязкости, электропроводности и пр.). Косвенные методы, как правило, находят применение в тех случаях, когда прямые методы изме­рения давления трудно осуществимы, например, при измерении весьма малых давлений (вакуумные измерения) или при измерениях сверхвы­соких давлений. 2.1. Косвенные методы, основанные на уравнении состояния идеального газа Связь между важнейшими термодинамическими параметрами газа определяется соотношением pV = const, (8)
T где р — абсолютное давление газа; Т — абсолютная температура газа; V — объем, занимаемый газом.
Соотношение (8) называется объединенным газовым законом и формулируется следующим образом: при постоянной массе газа произ­ведение объема на давление, деленное на абсолютную температуру газа, есть величина, одинаковая для всех состояний этой массы газа. Уравнение состояния для произвольной массы идеального газа (урав­нение Клайперона-Менделеева) имеет вид
pV= m • RT, (9) μ где т — масса газа; μ — масса одного киломоля газа; R — универсальная газовая постоянная. Для упрощения процесса измерения давления один из параметров со­стояния (Т или V) сохраняется постоянным. Тогда давление однозначно определяется по результатам измерения V или Т. Например, при измере­нии изменений атмосферного давления в баронивелировании нашли при­менение газовые барометры, принцип действия которых основан на ис­пользовании уравнения состояния газа (8) при постоянной температу­ре, т. е. при постоянной массе газа и неизменной температуре давление об­ратно пропорционально занимаемому газом объему. Принципиальная схема газового барометра конструкции Штриплинга изображена на рис. 8. Прибор состоит из двух камер, одна из кото­рых 2 может быть сообщена с атмосферным давлением, а другая 3 зам­кнута. Обе камеры связаны между собой капилляром, в середине кото­рого находится капля масла 1, выполняющая роль указателя нуля. При равенстве давлений в камерах капля устанавливается на нулевой отмет­ке. Рис. 8. Принципиальная схема га­зового барометра Равенство давлений достигается изменением объема камеры 3 посред­ством перемещения сильфона 4 с помощью винта и червячной передачи с отсчетом числа оборотов червяка по цифровому счетчику. При погреш­ности термостатирования 0,001°С изменения давления фиксируются с погрешностью менее 0,5 Па. В дифференциальном газовом баро­метре системы Д.И. Менделеева (рис. 9) изменение атмосферного дав­ления определяется комбинированным методом. Барометр состоит из замкнуто­го сосуда 1, соединенного с давлением ок­ружающего воздуха при помощи V-образного жидкостного манометра 2. Рис. 9. Дифференциальный га­зовый барометр Барометр основан на уравновешива­нии изменений атмосферного давления как столбом жидкости, так и сжатием (расширением) газа в замкнутом сосуде по закону Бойля-Мариотта. Как и ранее, необходимо тщательное термостатирование со­суда 1 или введение температурной поправки, равной 0,37 % на 1°С. Следует отметить, что рассмотренные выше газовые барометры в связи с появлением высокоточных деформационных барометров анало­гичного назначения в настоящее время практически не применяются. В отличие от этого в области вакуумных измерений указанный принцип на­ходит широкое применение. Компрессионные („компрессия" — сжатие) и экспансионные („экспансия" - расширение) манометры являются ос­новными средствами воспроизведения к передачи единицы давления в области вакуумных измерений в диапазоне от 10-3 до 103 Па (10-5 -10 мм рт. ст.). 2.2. Косвенные методы, основанные на фазовых переходах Известно, что любое вещество в зависимости от давления и темпера­туры может находиться в различных агрегатных состояниях (твердой, жидкой и газообразной фазах). Типовая диаграмма состояний в коорди­натах р и Т представлена на рис. 10. Кривыми линиями изображены гра­ницы между различными фазами (кривые равновесия фаз), соответству­ющие давлениям и температурам, при которых из одной фазы в другую переходит одинаковое число молекул. Рис. 10. Типовая диаграмма состояний При этом кривая СК выражает зависимость от температуры давления насыщенного пара над жидкостью; кривая АС - давления насыщенного пара над твердым телом, кривая ВС - температуры плавления от давления. Например, при давлении р1 и температуре Т1, будет наблюдаться равновесие твердой 1 и газообраз­ной 2 фаз. Если при той же температуре Т1, давление понизить, то начнет­ся переход твердой фазы в газообразную. Этот процесс называется возгон­кой или сублимацией („сублимаре" — возносить). Аналогично на грани­це ВС происходит плавление твердой фазы (кристаллизация жидкой фа­зы 3), а на границе СК - кипение жидкой фазы (конденсация газообраз­ной фазы). Необходимо отметить также две особые точки. Тройная точка С, находящаяся на пересечении всех трех кривых равновесия фаз, ха­рактеризует состояние вещества, когда находятся в равновесии одновре­менно твердая, жидкая и газообразная фазы. Критическая точка К соот­ветствует критической температуре Тк и критическому давлению рк, при которых теряется всякое различие между жидкостью и ее паром, а граница между ними исчезает. Указанные выше кривые равновесия фаз и тройная точка использу­ются в косвенных методах определения давления по результатам изме­рения температуры в равновесных точках (в области температурных измерений, наоборот, температура определяется по результатам измере­ния давления). Диаграмма состояний дает наглядное представление о выборе того или иного фазового перехода в зависимости от определяемого давления. Кривая плавления ВС немного отклоняется от вертикали к оси абсцисс, т. е. температура плавления имеет небольшую чувствительность к давле­нию. Так, температура плавления льда изменяется на 1 К при изменении давления на 13 МПа (следует отметить, что в отличие от большинства веществ температура плавления льда понижается при повышении давле­ния - штриховая линия СВ на рис 10) , Поэтому кривые плавления ис­пользуются в косвенных методах определения высоких и сверхвысо­ких давлений. Процесс сублимации (кривая АС) происходит, как прави­ло, при низких температурах и давлениях, что позволяет его использо­вать при определении давления в области вакуумных измерений. И, на­конец, фазовый переход жидкость—пар (кривая СК) наиболее удобен для области средних давлений помимо указанного, пои выборе того или иного фазового перехода необходимо учитывать физические свой­ства применяемого вещества. В области измерения высоких и сверхвысоких давлений его значение воспроизводится по кривой плавления ртути, полуэмпирическое уравне­ние которой получают по результатам исследований сравнением с эталон­ным поршневым манометром. Это позволяет построить непрерывную шкалу давлений, по которой градуируются средства измерений высоких и сверхвысоких давлений низшей точности. В области средних давлений, где успешно применяются высокоточ­ные средства измерений, основанные на прямых методах, использование косвенных методов нецелесообразно. Однако представляет интерес, по­лучивший распространение в первой половине нашего века простой спо­соб измерения атмосферного давления, основанный на фазовых перехо­дах „жидкость—пар" (кривая СК на рис. 10), который легко может быть продемонстрирован в любой, даже школьной, лаборатории. 2.3. Косвенные методы, основанные на изменении физических свойств измеряемой среды
Для определения давления находят также применение методы, ос­нованные на зависимости от давления различных физических свойств жидкостей и газов и протекающих в них процессах. При этом были использованы результаты исследований влияния давления на плотность и вязкость, диэлектрическую проницаемость, скорость распространения ультразвука, теплопроводность и другие свойства измеряемой среды.
В области высоких и средних давлений указанные методы широкого распространения не получили в связи с их относительной сложностью и трудоемкостью по сравнению с другими методами (применение манга­нинового манометра сопротивления в области высоких давлений, пря­мые методы измерений в области средних давлений). В области вакуумных измерений указанные методы применяются практически повсеместно. Зависимость теплопроводности разреженно­го газа от давления используется в тепловых и термопарных маномет­рах; зависимость тока положительных ионов от измеряемого давле­ния — в ионизационных манометрах. Используется также зависимость от давления вязкости газа, кинетической энергии молекул, концентра­ции молекул и пр. Наибольшее распространение в вакуумной технике (около 70 %) получили термопарные и ионизационные манометры. Термопарный манометр (рис. 11, а) так же, как и тепловой, основан на зависимости теплопроводности разреженного газа от давления. Мано­метр содержит стеклянную или металлическую колбу 3, в которой поме­щены нагреватель 1 к впаянная в него термопара 2. Нагреватель питается от источника переменного тока, и его температура, а следовательно, и температура термопары, определяется теплоотдачей в окружающий раз­реженный газ. Чем меньше давление газа, тем меньше его теплопровод­ность и тем больше температура, а следовательно, ЭДС на выходе термо­пары, которая и является мерой измеряемого давления. Шкала прибора 4 для измерения ЭДС градуируется, как правило, в единицах давления. Данный принцип наиболее эффективен при давлениях от 0,1 до 100 Па. При давлениях, меньших 0,1 Па, все большая доля тепла передается излу­чением, а при давлениях, больших 100 Па, увеличение теплопроводности газа резко замедляется. В обоих случаях существенно уменьшается чув­ствительность прибора. Погрешность измерений составляет 10—30 %. На градуировочную характеристику существенно влияет состав газа. Поэтому для уточнения показаний термопарного манометра необходима индивидуальная градуировка. Принцип действия ио­низационного манометра основан на зависимости от давления тока положитель­ных ионов, образованных в результате ионизации раз­реженного газа. Ионизация газа осуществляется элект­ронами, ускоряемыми электрическим или магнит­ным полями, а также по­средством излучения ра­диоизотопов. При одном и том же количестве электро­нов, пролетающих через газ, или постоянной мощ­ности излучения степень ионизации газа пропорцио­нальна концентрации его молекул, т. е. измеряемо­му давлению Рис. 11. Термопарный манометр В простейшем случае наиболее употребим ионизационный манометр с го­рячим катодом (рис. 11 ,б), содержащий стеклянную колбу 2, в которую впаяны анод 1 и катод 3. Благодаря разогреву катода источником постоянного тока 4, его по­верхность испускает электроны, которые разгоняются напряжением Uа между катодом и анодом и ионизируют находящийся между ними газ. Сила тока положительных ионов, измеряемая гальванометром 5, является мерой измеряемого давления p=k ·i+/i-, (10) где k — постоянная, зависящая от конструкции прибора и состава газа. Для увеличения степени ионизации между катодом и анодом поме­щена сетка, на которую подается напряжение, сообщающее дополнитель­ное ускорение потоку электронов. Манометры этого типа охватывают диапазон от 10-7 до 1 Па, дополняя диапазон измерений термопарного манометра. Погрешности измерений составляют также 10—30 %. Глава 3.Датчик для измерения избыточного давления Метран-43-ДИ (Модель 3163) • Измеряемая среда: жидкость • Верхний предел измерения 16 МПа • Характеристика - линейная • Предел допускаемой основной приведенной погрешности ±0,25;±0,5% • Питание от источника постоянного тока • Температура окружающей среды -30 .+500С • Степень защиты датчика от воздействия пыли и воды IP55 по ГОСТ 14254 • Виброустойчивое исполнение V1 и V2 по ГОСТ 12997 • Коррозионностойкие материалы • Диапазоны измерений перенастраиваются • Контроль выходного сигнала без разрыва сигнальной цепи • Внесен в Госреестр в качестве средства измерения под № 13576-93 Датчик для измерения избыточного давления Метран-43-ДИ предназначен для преобразования избыточного давления в стандартный токовый выходной сигнал дистанционной передачи в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами. Датчик обеспечивает: - высокую точность преобразования, - стойкость к вибро- и гидроударам, - долговременную стабильность сигнала. Характеристика - линейная возрастающая или линейная убывающая. Наибольшее отклонение действительной допускаемой основной приведенной погрешности характеристики от номинальной статической характеристики ± γ 0,2; 0,4 для предела допускаемой основной приведенной погрешности ±0,25%; ±0,5% соответственно. Вариация (гистерезис) не превышает абсолютного значения предела допускаемой основной приведенной погрешности (γ). Дополнительная погрешность датчика, вызванная изменением температуры окружающего воздуха в рабочем диапазоне температур на каждые 10ºС, не превышает: γ = 0,2+0,05· Рmax , % Р1 - для датчиков с пределом допускаемой основной приведенной погрешности γ = ±0,25%; γ = 0,4+0,1· Рmax , % Р1 - для датчиков с пределом допускаемой основной приведенной погрешности γ = ±0, 5%; Рmax - максимальный верхний предел измерений для данной модели датчика; Р1 – действительное значение верхнего предела измерений Пульсация выходного сигнала не более 0,25% от диапазона изменения выходного сигнала. Электрическое питание датчика осуществляется напряжением (36±0,72) В постоянного тока. Мощность, потребляемая датчиком, не более 1,0 В. А. Детали измерительного блока изготовлены из стали 12X18Н1 ОТ по ГОСТ 5632. Материал мембраны - сплав 36НХТЮ по ГОСТ 5632; уплотнительных колец - специальная резина, фторопласт. Корпус преобразователя электронного изготовлен методом литья под давлением из алюминиевого сплава, не содержащего медь. Защитное покрытие: эмаль МЛ-12 ГОСТ 9754. Датчики снабжены устройством, позволяющим перенастраивать их на любой из пределов измерений для данной модели. Масса датчика модели 3163 – 2,5 кг. Не более. Схема датчика: Принцип действия: Давление рабочей среды воздействует на разделительную мембрану 1 и через жидкость 2 вызывает деформацию чувствительного элемента, прочно скрепленного с мембраной тензопреобразователя 3 . Чувствительный элемент -кристалл сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами (структура КНС). Тензорезисторы соединены в мостовую схему 4. Деформация измерительной мембраны приводит к пропорциональному изменению сопротивления тензорезисторов и разбалансу мостовой схемы. Электрический сигнал с выхода мостовой схемы поступает в дифференциальный усилитель электронного блока 5. Встроенный в усилитель регулятор коэффициента усиления обеспечивает перенастройку диапазонов измерений. Усиленный сигнал преобразуется в унифицированный токовый в преобразователе 6 . Питание всех звеньев электрической схемы датчика осуществляется через узел питания 7. Устройство термокоррекции 8 компенсирует влияние температурных воздействий на тензомост.