Электрические манометры и вакуумметры

В металлургических процессах измерение давлений в подавляющем большинстве случаев обеспечивается деформационными манометрами и вакуумметрами. Электрические приборы используются главным образом для специальных целей, например при измерениях сверхвысоких давлений, глубокого вакуума или давлений, пульсирующих с высокой частотой.

В вакуумной металлургии для измерения малых давлений деформационные приборы охватывают нижний предел измеряемых давлений порядка 10-0,1 Па. Для измерения вакуума в области 1-10^-4 применяют тепловые вакуумметры, а для измерения вакуума в пределах до 10^-6 Па применяются ионизационные вакуумметры. Переменные давления в пределах 100 кПа, например в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания, где давления пульсируют с высокой частотой, измеряют пьезоэлектрическими манометрами.

Развитие полупроводниковой техники и микроэлектроники открыло новые возможности для создания более совершенных электрических манометров с использованием полупроводниковых тензорезисторов, позволяющих измерять давление в широких диапазонах. Действие приборов этой группы основано на свойстве некоторых материалов изменять свои электрические параметры под действием давления.

Тепловые вакуумметры. Принцип действия тепловых вакуумметров основан на зависимости теплопроводности газовой среды от степени ее разрежения. Две конструкции тепловых вакуумметров: сопротивления и термопарный.

а - сопротивления; б – термопарный

Рисунок 4.3 - Схемы тепловых вакуумметров

В обеих конструкциях чувствительным элементом является нагретая путем пропускания электрического тока платиновая нить 1, расположенная в вакуумном баллоне 2. При увеличении разрежения среды ее теплопроводность будет уменьшаться,, следовательно, нагретая платиновая нить будет хуже отдавать тепло стенкам баллона, в результате чего ее температура возрастает. Измеряя температуру нити, можно судить о величине вакуума. Чтобы исключить теплопередачу от нити к стенкам баллона за счет лучеиспускания, максимальная температура нити должна быть примерно 100 С. Эти два типа вакуумметра различаются только способом измерения температуры нити. В вакуумметре сопротивления температуру измеряют термометром сопротивления, которым служит сама нить, а в термопарном вакуумметре - термопарой 4. Датчик к измеряемой схеме подключается через электрические вводы 3, а к объекту измерения - через соединительную трубку 5.

В вакуумметрах с термосопротивлением измерение температуры нити и ее нагрев путем пропускания электрического тока осуществляются при помощи мостовой схемы, в одной из плеч которой включена нить вакуумметра. Температура нити измеряется милливольтметром, установленным в диагональ моста. Во второй диагонали находится источник питания моста постоянным током.

В термопарных вакуумметрах температуру нити накала измеряют хромель-копелевой термопарой, которая соединена с нитью при помощи крючка из тонкой проволоки.

Пьезоэлектрические манометры. Пульсирующие с высокой частотой давления измеряют с помощью манометров, построенных на использовании пьезоэлектрических эффектов. Под пьезоэлектрическим эффектом понимают появление электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллических диэлектриков при их деформации.

Чувствительным элементом в пьезоэлектрических манометрах, преобразующим механические напряжения в колебания электрического тока, являются пластины из кварца, титаната бария или керамики типа ЦТС (цирконат-титанат свинца).

Датчик пьезоэлектрического дифференциатора давления, предназначенного для непрерывного преобразования скорости изменения давления (нарастания или падения) по линейному закону в унифицированный сигнал 0-5, 0-20, 4-20 мА.

Рисунок 4.4 - Принципиальная схема дифференциатора давления

пьезоэлектрического типа

Измеряемое давление через мембраны 2 воздействует на столбик 3, выполненный из пьезокварцевых элементов. В результате появления прямого пьезоэффекта на границах пьезоэлементов возникают положительные и отрицательные заряды, которые снимаются электродами и стекают через сопротивление 4. При постоянной скорости изменения давления между притоком и оттоком зарядов устанавливается равновесие и через резистор 4 протекает постоянный ток, величина которого связана линейной зависимостью со скоростью изменения давления. Напряжение с сопротивления 4 поступает через герметичный вывод 5 в корпусе 1 датчика на усилитель 6 и преобразуется в выходной унифицированный сигнал.

Заряды, возникающие на пьезоэлементах, не могут сохраняться длительное время из-за утечек в элементах измерительной схемы, в связи с чем этот метод применяют для измерения быстро меняющихся давлений (0,1-0,25 МПа/с). Время установления выходного сигнала 1-2 с; допускаемая основная погрешность ±10%.