Понятие вакуумметрического давле­ния вводится при измерении давления ниже атмосферного:

Средства измерения, предназна­ченные для измерения давления и раз­ности давлений, называются маномет­рами, Последние подразделяются на барометры, манометры, избыточного давления, вакуумметры и манометры абсолютного давления в зависимости от измеряемого ими соответственно атмосферного, избыточного, вакуумметрического и абсолютного давле­ний. Манометры, предназначенные для измерения давления или раз­режения в диапазоне до 40 кПа (0,4кгс/см2), называются напоромерами и тягомерами. Тягонапоромеры име­ют двустороннюю шкалу с пределами измерения до±20кПа (±0,2кгс/см2). Дифференциальные манометры при­меняются для измерения разности давлений.

В зависимости от принципа, ис­пользуемого для преобразования си­лового воздействия давления на чув­ствительный элемент в показания или пропорциональные изменения другой физической величины, средства изме­рения давления разделяются на жид­костные, деформационные, грузопоршневые, электрические, ионизацион­ные и тепловые.

Таблица 11.2. Пределы измерения приборов давления

Жидкостные манометры и дифманометры[2]

В жидкостных манометрах измеряе­мое давление или разность давлений уравновешивается давлением столба жидкости. В приборах используется принцип сообщающихся сосудов, в ко­торых уровни рабочей жидкости совпа­дают при равенстве давлений над ни­ ми, а при неравенстве занимают такое положение, когда избыточное давле­ние в одном из сосудов уравновешива­ется гидростатическим давлением из­быточного столба жидкости в другом. Большинство жидкостных манометров имеют видимый уровень рабочей жид­кости, по которому производится непо­средственное снятие показаний. Эти приборы используются в лаборатор­ной практике и при проведении про­мышленных испытаний. К ним относятся двухтрубные и однотрубные жидкостные манометры, барометры, компрессионные манометры, микроманометры. Существует группа жидкостных дифманометров. В них уровень рабочей жидкости не­посредственно не наблюдается. Изме­нение последнего вызывает перемеще­ния поплавка или изменение характе­ристик другого устройства, обеспечива­ющих либо непосредственное показание измеряемой величины, с помощью отсчетного устройства, либо преобразо­вание и передачу ее значения на рас­стояние. Рассмотрим разновидности таких жидкостных манометров.

Поплавковые дифманометры. Принцип уравновешивания измеряемого давления силой тяжести столба рабочей жидкости использует­ся в жидкостных поплавковых дифманометрах, которые являются разновидностью одно­трубных манометров, но в отличие от рассмот­ренных выше приборов этого типа не имеют видимого уровня рабочей жидкости. Схема по­плавкового дифманометра представлена на рис.34. В широком сосуде 1, куда подается большее из измеряемых давлений, плавает по­плавок 2. Его перемещение, определяемое изме­ряемой разностью давлений, передается пока­зывающей стрелке или записывающему устройству. Перемещение поплавка связано с изме­ряемой разностью давлений следующим соот­ношением:

Рис.34. Схема поплавкового дифманометра

Ход поплавка зависит от соотношения площадей сосудов. Узкий сосуд 3 является сменным. Посколькуза счет изменения сечения сменного сосуда можно получить один и тот же ход поплавка при различных пределах измерения дифмано­метра.

Отечественной промышленностью выпуска­ются показывающие и самопишущие поплавко­вые дифманометры типа ДП, которые входят в ряд механических крупногабаритных прибо­ров. Производятся семь типоразмеров смен­ных сосудов, обеспечивающих в соответствии со стандартным рядом (табл. 11) измерение разности давлений от 6,3 кПа (630 кгс/м2) до 0,1 МПа (1 кгс/см2) при статическом давле­нии до 25 МПа. Предельные погрешности при­боров не превышают ±2 % диапазона измере­ния. Показывающие поплавковые дифманометры могут иметь дополнительные устройства для сигнализации отклонений (ДП-778) и по­лучения унифицированного пневматического сигнала (ДП-787). Дифманометры показываю­щие и самопишущие, предназначенные для из­мерения расхода, могут иметь встроенный ин­тегратор для получения показаний суммарно­го расхода (ДП-781Р, ДП-712Р). Основным недостатком показывающих и самопишущих поплавковых дифманометров является нали­чие вывода механического перемещения из внутренней полости прибора, часто находя­щейся под высоким статическим давлением.

Достоинствами рассмотренных выше жидкостных манометров и дифмано­метров являются их простота и надеж­ность при высокой точности измерений. При работе с жидкостными прибора­ми необходимо исключать возможность перегрузок и резких изменений давле­ния, так как в этом случае может про­исходить выплескивание рабочей жид­кости в линию или атмосферу.

Деформационные манометры и дифманометры[3]

В деформационных манометрах ис­пользуется зависимость деформации чувствительного элемента или разви­ваемой им силы от измеряемого дав­ления. Пропорциональная последнему деформация или сила преобразуется в показания или соответствующие изме­нения выходного сигнала. Большинст­во деформационных манометров и дифманометров содержат упругие чув­ствительные элементы, осуществляю­щие преобразование давления в про­порциональное перемещение рабочей точки.

Наиболее распространенные упру­гие чувствительные элементы пред­ставлены на рис.35, к их числу от­носятся трубчатые пружины (рис.35, а), сильфоны (рис.35, 6), пло­ские и гофрированные мембраны (рис.35, в, г). Несовер­шенство упругих свойств материалов чувствительных элементов обусловли­вает наличие гистерезиса статической характеристики и упругое последей­ствие. Последнее проявляется в запаз­дывании перемещения рабочей точки по отношению к приложенному давле­нию и медленном возвращении ее в начальное положение после снятия давления.

Рис.35. Упругие чувствительные элементы

Полые одновитковые трубчатые пру­жины (рис.35, а), имеют эллиптиче­ское или плоскоовальное сечение. Один конец пружины, в который поступает измеряемое давление, закреплен непо­движно в держателе, второй (закры­тый) может перемещаться. Под дейст­вием разности измеряемого внутренне­го давления и внешнего атмосферного трубчатая пружина деформируется: малая ось сечения трубки увеличивается, большая уменьшается, при этом пружина раскручивается и ее свобод­ный конец совершает перемещение в 1—3 мм. Для давлений до 5 МПа труб­чатые пружины изготовляют из лату­ни, бронзы, а для более высоких дав­лений — из легированных сталей и сплавов никеля.

Сильфонные и мембранные чувствительные элементы имеют более широ­кие возможности для увеличения эф­фективной площади с целью получе­ния требуемого перестановочного уси­лия, что позволяет использовать их для измерения малых избыточных дав­лений и разрежения. Сильфон (рис 35, 6) представляет собой тонкостен­ную трубку с поперечными кольцевы­ми гофрами на боковой стенке.

Наиболее разнообразными по конст­рукции являются мембранные чувстви­тельные элементы. Представленная на рис.35, а, плоская или пластинчатая мембрана представляет собой гибкую тонкую пластину, закрепленную по ок­ружности. Под действием разности давлений, действующих с обеих сторон на мембрану, ее центр перемещается. Плоская мембрана имеет нелинейную упругую характеристику и малые пе­ремещения рабочей точки, в связи с чем ее в основном применяют для пре­образования давления в силу (пьезо­электрические преобразователи) или поверхностные деформации (тензопре-образователи).

Для улучшения статической харак­теристики используют гофрированные мембраны и мембранные коробки (рис.35, г, д). Широко используют­ся мембранные коробки, которые пред­ставляют собой сваренные или спаян­ные по внешней кромке мембраны. Же­сткость коробки вдвое ниже жесткости каждой из мембран. В дифманометрах, чувствительных элементах регулято­ров прямого действия используются мембранные блоки, включающие две коробки и более.

В напоромерах и тягомерах приме­няются вялые мембраны (рис.35,е), изготовленные из бензомаслостойкой прорезиненной ткани. В центре мем­браны крепятся металлические пласти­ны, в одну из которых упирается вин­товая пружина, выполняющая функ­ции упругого элемента.

Трубчато-пружинные манометры. Большинство показывающих, самопи­шущих, сигнализирующих манометров и преобразователей давления с труб­чатой пружиной являются устройства­ми прямого преобразования, в которых давление последовательно преобразу­ется в перемещение чувствительного элемента и связанного с ним механи­чески показывающего, регистрирующе­го, контактного устройства, элемента пневматического или электрического преобразователя.

Схема показывающего трубчато-пружинного манометра представле­на на рис.36. Одновитковая трубчатая пружина 1 с одного конца приварена к держателю 2, прикреп­ленному к корпусу манометра. Ниж­няя часть держателя заканчивается шестигранной головкой и штуцером, с помощью которого к манометру подсо­единяется трубка, подводящая давле­ние. Свободный конец пружины 1 при­паян к пробке 3, которая шарнирно соединяется с поводком 4. При пере­мещении свободного конца пружины поводок поворачивает зубчатый сектор 5 относительно оси О, вызывая пово­рот шестерни (трибки) 6 и сидящей на одной оси с ней показывающей стрел­ки 7. Пружина, не показанная на ри­сунке, обеспечивает поджатие зубцов трибки к зубцам сектора, устраняя люфт. Статическая характеристика ма­нометра может подстраиваться путем изменения точки закрепления поводка 4 в прорези сектора 5.

Рис.36. Трубчато-пружинный показывающий манометр

Промышленностью выпускаются ме­ханические показывающие и самопи­шущие манометры с одновитковой (ти­па МТ) и многовитковой (типа МТМ) трубчатой пружиной. Принципиальная схема последнего приведена на рис.37. Под действием измеряемого дав­ления свободный правый конец трубчатой многовитковой пружины 1 перемещается, вызывая поворот оси 2 и сидящего на ней рычага 3. Пос­ледний соединен с тягой 4, которая с помощью рычага 5 поворачивает ось 6, на которую насажен П-образный рычаг 7, заканчивающийся пером 8. В показывающих приборах на ось 6 насажен рычаг 9, тягой соединенный с сектором, перемещающим трибку пока­зывающей стрелки. Дисковая диаграм­ма 10 совершает один оборот за 12 или 24 ч, ее вращение осуществляется электрическим двигателем или часо­вым механизмом. Класс точности пока­зывающих и самопишущих маномет­ров 1; 1,5, они относятся к числу крупногабаритных приборов, размеры ко­торых определяются диаметром дисковой диаграммы.

Рис.37. Самопишущий манометр типа МТС

Грузопоршневые манометры[4]

В грузопоршневых манометрах из­меряемое давление уравновешивается силой тяжести неуплотненного поршня с грузами. Манометры используются в качестве образцовых средств воспро­изведения единицы давления в диапа­зоне от 10-1 до 1013 Па, а также для точных измерений давления в лабора­торной практике.

Схема поршневого манометра, име­ющего диапазон измерения 6 МПа (МП-60), представлена на рис.38. Поршень 1 с тарелкой 2 для грузов 3 перемещается внутри цилиндра 4. Поршневая пара подгоняется таким образом, чтобы зазор между поршнем 1 и цилиндром 4 не превышал 0,01 мм. При таком зазоре даже при высоких давлениях скорость опускания поршня из-за утечки рабочей жидкости не превышает 1 мм/мин. Для обеспече­ния равномерного зазора между ци­линдром и поршнем последний в мо­мент измерения вращают по часовой стрелке. В манометрах с диапазоном измерения 0,6 МПа и выше вращение поршня осуществляется вручную. В манометрах с диапазоном измерения 0,06 и

Рис.38. Схема грузопоршневого манометра МП-60

0,25 МПа вращение поршня про­изводится электрическим двигателем. Внутренняя полость поршневого ма­нометра тщательно заполняется рабо­чей жидкостью (керосином, касторо­вым или трансформаторным маслом). Заливка жидкости производится при открытом вентиле 5 через отверстие в дне резервуара 6; поршнем 7 винтово­го пресса 8 жидкость засасывается внутрь манометра. С помощью пресса 8 в процессе измерения обеспечивается подъем поршня 1 с грузами до высо­ты, заданной указателем. К стоякам 9 с запорными вентилями 10 подключа­ются поверяемые манометры. Вентиль11 служит для слива жидкости из поршневого манометра.

Для получения заданного давления на тарелку 2 с учетом ее массы с поршнем накладываются грузы, созда­ющие определенную силу тяжести. При суммарной массе поршня с груза­ми М создаваемое давление р = Mg/S, где S — эффективная площадь поршня /, равная сумме площади торца порш­ня и половины площади зазора; g — ускорение свободного падения.

Площадь поршня в рассмотренной конструкции манометров составляет 0,5 и 1 см2, что обеспечивает отсутст­вие прогиба поршня под тяжестью грузов. Класс точности манометров 0,02; 0,05. Давление во внутренней полости грузопоршневых манометров может создаваться винтовым прессом 8 без использования грузопоршневой колонки. В этом случае вентилем 12 колонка отключается, а создаваемое давление измеряется образцовым ма­нометром, подключенным к одному из стояков 9.

Схема дифференциального разгруженного поршня, используемого в манометрах МВП-2,5, представлена на рис.39. При атмосферном давлении, подаваемом в сосуд 3, поршни 1,2 взаимно уравновешены и с помощью масляно­го сильфонного пресса 4 установлены в на­чальном фиксированном положении.

и измеряемое давление рассчиты­вается как . Если измеряется разряжение риз, то поршень 1 идет вниз, а поршень 2 идет вверх. Для возвращения пор­шней в исходное положение грузы массой т-г накладываются на поршень 2. Низкая погрешность воспроизведе­ния и измерения давления с помощью грузопоршневых манометров опреде­ляется в соответствии с высо­кой точностью задания массы грузов, площади сечения поршня и ускорения свободного падения.

Рис.39. Схема поршневой системы мановакууметра МВП-2,5

Электрические и прочие манометры[5]

Пьезоэлектрические манометры. Принцип действия манометров этого типа основан на пьезоэлектрическом эффекте, сущность которого состоит в возникновении электрических зарядов на поверхности сжатой кварцевой пла­стины, которая вырезается перпенди­кулярно электрической оси кристаллов кварца. Схема пьезоэлектрического манометра представлена на рис.40. Измеряемое давление с помощью мем­браны 1 преобразуется в усилие, сжи­мающее кварцевые пластины 2. Элек­трический заряд, возникающий на металлизированных плоскостях 3 под действием усилия F со стороны мемб­раны 1, определяется выражением Q = kF = kSp,где р—давление, действующее на ме­таллическую мембрану 1 с эффектив­ной площадью S; k — пьезоэлектри­ческая постоянная, Кл/Н.

Напряжение на входе усилителя, подключенного к выходу пьезопреоб-разователя, определяется общей ем­костью измерительной цепи С: и = Q/C.

Кварц в отличие от других сегнето-электриков, обладающих пьезоэффектом, является механически прочным и имеет высокую жесткость, что исклю­чает влияние упругой характеристики мембраны 1 на коэффициент передачи пьезоэлектрического преобразователя. Частота собственных колебаний пре­образователя достигает десятков ки­логерц, вследствие чего они широко применяются при испытаниях двигате­лей и на других технологических объ­ектах, характеризуемых высокочастот­ными изменениями давления.

2 3

Рис.40. Схема пьезоэлектрического мано­метра

Верхний предел из­мерения давления у этих приборов достигает 100 МПа (1000 кгс/см2).

Манометры с тензопреобразователями. Манометры с тензорезистивными преобразователями по быстродей­ствию приближаются к пьезоэлектри­ческим манометрам. Первые представ­ляют собой мембраны, на которых размещены проволочные, фольговые или полупроводниковые резисторы, со­противление которых меняется при деформации мембраны под действием давления. Схема преобразователя прибора давления «Сапфир-22» типа ДИ, предназначенного для измерения избыточных давлений с верхним пре­делом измерения 0,4 МПа и выше, представлена на рис.41. Чувстви­тельным элементом манометра являет­ся двухслойная мембрана 1. Измеряемое давление действует на металлическую мембрану, к которой сверху припаяна сапфировая мембрана с тензорезисторами. Элементы измери­тельной схемы и усилитель находятся в блоке 2.

Преобразователи «Сапфир-22» име­ют на выходе токовый сигнал 0—5 мА (0—20, 4—20 мА) при сопротивлении нагрузки до 2,5 кОм (1 кОм), пре­дельная погрешность приборов 0,25;0,5 %, напряжение питания преобра­зователей 36 В. Приборы выпускают в нескольких модификациях, предна­значенных для измерения избыточного давления (ДИ), вакуума (ДВ), избы­точного давления и вакуума (ДИВ), абсолютного давления (ДА), разности давлений (ДД), гидростатического давления (ДГ).

Рис.40. Схема изме­рительного преобразова­теля давления ДИ

Рис. 41. Схема измерительного преобразо­вателя разности давлений ДД

В преобразователях с диапазоном измерения менее 0,4 МПа (рис.41) используются в качестве чувствитель­ных элементов блоки из двух мембран /, 2, жестко соединенных между собой и находящихся под воздействием ат­мосферного и измеряемого давлений (разрежения), либо разности давле­ний. Жесткость мембранного блока определяется жесткостью мембранно-рычажного тензопреобразователя. Смещение центров мембран приводит к изгибу рычага 3 и сапфировой мемб­раны с тензорезисторами 4. Усилитель и элементы измерительной схемы на­ходятся в блоке 5. При осуществлении тщательной темпера­турной компенсации предельная по­грешность приборов может быть сни­жена до 0,1 %.

Для измерения высоких давлений в диапазоне МПа исполь­зуются манометры сопротивления манганиновые, в которых чувствитель­ным элементом является катушка из манганиновой проволоки. Предельная погрешность манометров не превыша­ет 1 %.

Ионизационные манометры. Для измерения давления в диапазоне 10Па (1мм рт. ст) используются ионизационные маномет­ры. Схема прибора представлена на рис.42. Основным элементом мано­метра является стеклянная маномет­рическая лампа, содержащая катод /, который находится внутри анодной сетки 2, окруженной цилиндрическим ионным коллектором 3. Эжектируемые раскаленным катодом электроны уско­ряются положительным напряжением, приложенным между анодом и като­дом. При движении электроны ионизи­руют молекулы разреженного газа. Положительные ионы попадают на от­рицательно заряженный коллектор 3. При постоянстве

анодного напряжения

Рис. 42. Схема ионизационного манометра

и электронной эмиссии величина кол­лекторного тока зависит от измеряе­мого давления. Нижний предел измерения ионизаци­онных манометров ограничен фоновым током, вызванным мягким рентгенов­ским излучением анода и фотоэлект­ронной эмиссией коллектора. К группе маг­нитных электроразрядных манометров относятся вакуумметры ВМБ-2,3 с ма­нометрическими преобразователями ММ-8, ММ-ЗМ4 и ВИМ с манометри­ческим преобразователем ММ-14М.

Тепловые манометры. Для измере­ния давления в диапазоне 1—104 Па(10-2—102 мм рт.

Рис.43. Схема теплового манометра

ст.) используются тепловые манометры, которые, как и ионизационные, включают в себя ма­нометрический преобразователь и из­мерительный блок. Принципиальная измерительная схема теплового мано­метра приведена на рис.43. Она представляет собой неуравновешен­ный мост, на который напряжение по­дается от стабилизированного источ­ника питания ИП. Три плеча моста содержат постоянные резисторы , а четвертое представляет собой на­гретую до 200 °С вольфрамовую нить, находящуюся в камере, куда подается измеряемое давление. При указанных давлениях вследствие снижения числа молекул дл. ла их свободного пробега становится соизмеримой с расстояния­ми между теплопередающими поверх­ностями измерительных камер прибо­ра, в связи с чем теплопроводность при давлениях 103 Па (10 мм рт. ст.) и ниже линейно уменьшается по мере снижения давления. Теплоотдача от вольфрамовой ни­ти зависит как от числа молекул, участвующих в переносе теплоты, так и от температуры стенок камеры. Для снижения влияния на показания при­бора колебаний температуры окружа­ющей среды, определяющей темпера­туру стенок камеры, прилежащее к плечо моста помещается в вакуумированную камеру, аналогичную измерительной. Нижний предел применения мано­метров ограничивается возрастанием по мере снижения теплопроводности роли лучистого теплообмена, который становится определяющим при давле­ниях ниже 10-1 Па (10-3 мм рт. ст.). Для измерения температуры нити могут использоваться термопары, в этом случае тепловые манометры на­зывают термопарными. Схема мано­метрического преобразователя (лампы) вакуумметра типа ВТ-2 представ­лена на рис.44. Внутри стеклянного баллона 1, вакуумно плотно подсо­единяемого верхней частью к объекту измерения давления, находится плати­новый нагреватель 2, температура ко­

торого измеряется хромель-копелевой термопарой 3.

Рис. 44. Термопарный манометрический преоб­разователь

[1] , , Чистяков измерения и приборы. – М.: Энергоатомиздат, 1984. Глава одиннадцатая.

[2] , , Чистяков измерения и приборы. – М.: Энергоатомиздат, 1984. Глава одиннадцатая. 11.2

[3] , , Чистяков измерения и приборы. – М.: Энергоатомиздат, 1984. Глава одиннадцатая. 11.3

[4] , , Чистяков измерения и приборы. – М.: Энергоатомиздат, 1984. Глава одиннадцатая. 11.4

[5] , , Чистяков измерения и приборы. – М.: Энергоатомиздат, 1984. Глава одиннадцатая. 11.5