4.3. Електричні манометри та вакуумметри

Дія даних приладів грунтується на прямому чи непрямому перетворенні тиску в електричний параметр, який має з ним функціональний зв’язок.

Ці прилади застосовуються головним чином в лабораторній практиці для проведення відповідних досліджень.

- Манометри електричного опору

Дія приладу грунтується на зміні електричного опору провідника (одношарова котушка діаметром 8 мм намотана, наприклад, манганіновим проводом, діаметром 0,05мм, електричний опір якої становить 180…200 Ом) під дією зовнішнього надлишкового тиску.

Якщо позначити електричний опір провідника (котушки) через , тиск через а зміну опору через , то можна записати, що

, (4.18)

де - п’єзокоефіцієнт, величина якого залежить від матеріалу (для манганіна він знаходиться в межах ).

З (4.18) випливає

. (4.19)

Для вимірювання опору можна застосувати будь-який вимірювач електричних опорів, наприклад, електричний зрівноважений міст (рис. 4.16).

Іншим чутливим елементом манометра електричного опору є комбінований перетворювач з мембраною (рис.4.11 і рис.4.12) та тензорезисторним перетворювачем (рис. 4.16).

При вимірюванні тиску можна також користуватись формулою (4.19). Опір тензорезисторного перетворювача при температурі звичайно становить 80…600 Ом.

Електрична вимірювальна схема в цьому випадку аналогічна попередній (рис. 4.16).

На рис. 4.16 деформація вимірювальної мембрани під дією зовнішнього тиску призводить до деформації тензорезисторного перетворювача , який увімкнено в одне з плечей вимірювального мосту. В інші плечі увімкнено постійні резистори , та . В результаті цього відбувається розбаланс вимірювального мосту, який перетворюється електронним блоком в уніфікований вихідний електричний сигнал, що надсилається до вторинного вимірювального приладу манометра.

Рис. 4.16. Вимірювальна схема тензорезистивного манометра

До переваг тензорезистивних перетворювачів відноситься лінійність характеристики та незначна інерційність, до недоліків - мала чутливість і залежність від температури.

• Ємнісні манометри

Схема вимірювального перетворювача тиску, яка оснащена мембраною та ємнісним перетворювачем наведена на рис.4.17.

Рис. 4.17. Схема ємнісного перетворювача тиску

Вимірюваний тиск сприймається металевою мембраною 1, яка є рухомим електродом ємнісного перетворюючого елемента. Нерухомий електрод 2 ізолюється від корпусу з допомогою ізоляторів. Залежність ємності перетворювального елемента від переміщення визначається з (1.5).

Для перетворення в сигнал вимірювальної інформації звичайно використовують вимірювальні мости змінного струму (високочастотні) або резонансні -контури.

Ємнісні манометри застосовують для вимірювання тиску до 120 МПа. Товщина мембрани дорівнює 0,05–1 мм. Основна похибка вимірювання становить

- П’єзоелектричні манометри на основі п’єзоелектричного перетворювача тиску.

В основу дії цих перетворювачів покладено перетворення вимірюваного тиску в силу за допомогою деформаційного чутливого елемента і подальшого перетворення цієї сили в сигнал вимірюваної інформації.

На рис. 4.18 показано схему п’єзоелектричного перетворювача тиску в п’єзоелектричному манометрі.

Рис. 4.18. Схема п’єзоелектричного перетворювача тиску

Вимірюваний тиск перетворюється мембраною 4 в силу, яка викликає стискання стовпчиків кварцевих пластин 2, діаметром 5 мм і товщиною 1 мм.

Електричний заряд , що виникає, через виводи 1 подається на електронний підсилювач 5.

Величина заряду зв’язана з вимірювальним тиском залежністю

, (4.20)

де - п’єзоелектричний коефіцієнт (для кварца ); - ефективна площа мембрани.

Для зменшення інерційності перетворювача, об’єм камери 3 також максимально зменшують.

Оскільки частота власних коливань системи «мембрана-кварцеві пластини» складає десятки кілогерц, то вимірювальні перетворювачі цього типу мають високі динамічні характеристики, що обумовлює їх широке застосування при контролі тиску в системах з швидкоплинними процесами.

Межа вимірювання тиску такими манометрами становить 2,5–100,0 МПа.

Клас точності 1,5; 2,0.

У зв’язку з витоком заряда з кварцевих пластин вимірювальні засоби такого типу не використовують для вимірювання статичних тисків.

- Теплопровідні манометри

При низьких тисках, коли довжина вільного пробігу молекул співмірна з геометричними розмірами посудини, теплопровідність газу залежить від тиску.

Цю залежність використовують в теплопровідних манометрах, які застосовують для вимірювання тиску газів в межах від 0,0133 до 1333 Па.

Манометр складається з нагрівача і термометра (терморезистивного чи термоелектричного), який поміщено у посудину, де контролюється тиск.

На рис.4.19 наведено схему теплопровідного манометра низького тиску з терморезистором, який увімкнено у мостову схему.

В два плеча мостової схеми увімкнено металеві або напівпровідникові терморезистори і , які нагріваються електричним струмом, а в інші плечі – постійні резистори і .

Резистор знаходиться у вимірюваному середовищі. Резистор виконує роль температурного компенсатора і запаяний у балон.

Зі зміною тиску газу, змінюється його теплопровідність, що призводить до зміни електричного опору , а звідси до розбалансу вимірювального мосту.

Рис. 4.19. Схема теплопровідного манометра з терморезистором

В манометрах з термоелектричним термометром (рис.4.20) вимірюється не опір, а температура провідника. Температуру вимірюють термоелектричним термометром, термо-ЕРС якого є функцією вимірюваного тиску.

Рис. 4.20. Схема манометра з термоелектричним термометром

Манометр (рис. 4.20) складається з нагрівача 1 та термо-електричного термометра 2, що вимірює його температуру. Елемент нагрівається від джерела струму 3, термо-ЕРС термопари вимірюється мілівольтметром 4. Елемент 1 нагрівається до температури порядка .

Теплопровідні манометри градуюються по відповідному газу, для якого вони призначені.

- Іонізаційні вакуумметри і манометри

Іонізаційні вакуумметри з розжареним катодом призначені для вимірювання вакууму в межах від 133,3 до МПа.

Дія вакуумметра грунтується на іонізації молекул газу потоком електронів, які випромінює розжарений катод або радіоактивна речовина. В першому випадку перетворювачем є триелектродна манометрична лампа, балон 1 якої з’єднано з вимірюваним середовищем (рис. 4.21).

Рис. 4.21. Схема іонізаційного вакуумметра

В балоні знаходиться вольфрамова нитка (катод) 2, сітка 3 і анод-коллектор 4. Електрони, що вилітають з катоду, притягуються позитивно зарядженим анодом. В залежності від тиску газу, електрони на своєму шляху іонізують більше чи менше число молекул.

Іони збираються колектором і створюють струм, сила якого пропорційна силі анодного струму і тиску газу

. (4.21)

де - коефіцієнт пропорційності, який залежить від геометричних розмірів перетворювача і складу газу.

В іншому випадку при незначних вимірюваних тисках і невеликих розмірах радіаційних манометрів, ефективніше застосовувати -випромінювання, яке характеризується найвищою іонізаційною здатністю на 1 см довжини пробігу частинки.

Принципова схема приладу для вимірювання тиску газу з радіоізотопним іонізатором, який розміщено всередині камери, наведено на рис. 4.22.

Рис. 4.22. Схема - іонізаційного манометра:

1 – іонізаційна камера; 2 – радіоактивний ізотоп (випромінювач); 3 – колектор іонів; 4 і 5 – екрани; 6 – подільник; 7 – вимірювальний прилад

Якщо розміри іонізаційної камери менші довжини пробігу -часток, то сила іонізаційного струму на від’ємно зарядженому колекторі буде лінійною функцією тиску

, (4.22)

де - постійна приладу.

Для зменшення впливу зовнішніх чинників іонізаційні камери монтуються в одному корпусі з першим каскадом електронного підсилювача.

В якості випромінювача можуть бути ізотопи радія, торія, полонія тощо.

Запитання для самоконтролю

1. Принцип дії манометрів електричного опору.

2. Манометр електричного опору на основі комбінованого перетворювача "мембрана-тензорезистивний перетворювач".

3. Принципова схема тензорезистивного манометра.

4. Ємнісні манометри.

5. П’єзоелектричні манометри.

6. Теплопровідний манометр з терморезистором.

7. Принципова схема манометра з термоелектричним термометром..

8. Принципова схема іонізаційного вакуумметра.

9. Принципова схема - іонізаційного манометра.