Методы косвенных измерений 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.

    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.

    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. 4). 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 I_к 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 I_к, пропорциональный перемещению центра мембраны, а следовательно, давлению.

    Рис.   4.  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. 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.

    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).

    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.

    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.

    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/T  = const, (8), 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/μ, (9)       , где m - 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. 5. 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. 5. 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 изменение атмосферного давления определяется комбинированным методом. Барометр состоит из замкнутого сосуда, соединенного с давлением окружающего воздуха при помощи V-образного жидкостного манометра .

    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 или введение температурной поправки, равной 0,37 % на 1°С. 

    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. 6. 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. 6. 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. 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 Т_к и критическому давлению р_к, 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). 

    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.