Методы и средства измерения давления

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.