§ 6.3. Пружинные манометры и датчики давления

1. Пружинные манометры

Принципиальные схемы пружинного дифференциального ма­нометра и пружинного манометра абсолютного давления пред­ставлены на рис. 6.1, а и б.

Чувствительный элемент 1а дифференциального манометра (см. рис. 6.1, а) воспринимает разность давлений р₁ — р₂ и пре­образует ее в линейное перемещение s. В манометре абсолютно­го давления (см. рис. 6.1,6) чувствительный элемент 16 вакуумирован (р₂ 0) и преобразует в линейное перемещение абсо­лютную величину давления р₁.

Передаточно-множительный механизм в общем случае выпол­няет следующие функции:

а) преобразует поступательное движение элемента во вращательное;

б) увеличивает малое перемеще­ние чувствительного элемента до ве­личины, удобной для точного от­счета показаний прибора;

в) воспроизводит заданную функ­циональную зависимость между пе­ремещением стрелки и измеряемым давлением.

При построении манометров по схеме рис. 6. 1 необходима гермети­зация корпуса, что затрудняет регу­лировку механизма при подаче давления и практически исклю­чает возможность измерения давления агрессивных.

Этот недостаток отсутствует при использовании сдвоенных чувствительных элементов, состоящих из двух упругих чувствительных одинаковых элементов, внутрь одного из которых пода­ется давление р₁, а внутрь другого — давление р₂ (рис. 6.8). По­движные центры элементов расположены друг против друга и соединены между собой жесткой планкой, перемещение s кото­рой служит мерой измеряемой разности давлений р₁ — р₂ и пере­дается с помощью передаточно-множительного механизма на отсчетное приспособление. Такие же сдвоенные элементы примени­мы и для измерения абсолютного давления, при этом один из сдвоенных элементов вакуумируется (р₁ 0), во внутреннюю по­лость другого подается измеряемое давление р₁ (см. рис. 3.6).

Для исключения погрешностей, обусловленных изменением окружающего давления, сдвоенные элементы должны иметь эффективную одинаковую площадь.

2. Пружинные датчики давления

Пружинные датчики давления (см. рис. 6.2) отличаются от пружинных манометров тем, что вместо отсчетного устройства в них имеется электрический преобразователь, который преобразу­ет линейное или угловое перемещение в одну из электрических величин. При использовании параметрических преобразователей (реостатных, индуктивных, трансформаторных, емкостных и др.) выходной электрической величиной является сопротивление R, индуктивность L, взаимоиндуктивность М, емкость С; в случае включения параметрического преобразователя в электрическую цепь с внешним источником питания выходным сигналом может служить напряжение и или сила тока i. В большинстве случаев применяют электрические преобразователи дифференциального типа (рис. 6.9), в которых при перемещении подвижной части одновременно изменяются два однородных параметра, причем, когда один из них увеличивается, другой уменьшается.

Достоин­ством дифференциальных преобразователей является возможность уменьшения температурных погрешностей (при включении преобразователя в схему делителя напряжений или в мостовую схему), уменьшение электромагнитных и электростатических сил притяжения между подвижными и неподвижными частями и уве­личение чувствительности преобразователя.

Передаточные отношения механизмов в датчиках давления обычно имеют меньшую величину, чем в манометрах, так как они выбираются не из условия обеспечения точного визуального от­счета показаний, а с целью удобства преобразования перемеще­ния в электрический сигнал. Выбор передаточного отношения определяется типом электрического преобразователя. Наиболь­шее передаточное отношение требуется при использовании рео­статных и потенциометрических преобразователей, в которых ход щетки должен быть достаточно велик, чтобы относительная ве­личина витковой погрешности не превышала допустимого зна­чения. В случае применения поворотных индуктивных трансформаторов и емкостных преобразователей с переменной площадью полюсов или электродов передаточное отношение может быть значительно уменьшено по сравнению с реостатными и потенциометрическими устройствами. Наконец, при использовании индук­тивных и емкостных преобразователей с переменным рабочим зазором, а также тензометрических преобразователей, передаточно-множительный механизм может вообще отсутствовать, так как преобразователи этого типа обладают достаточной чувстви­тельностью для непосредственного преобразования малого пере­мещения чувствительного элемента в электрический сигнал нуж­ной величины. Однако при отсутствии передатрчно-множительно­го механизма возникает проблема предохранения измерительной системы от влияния инерционных сил, действующих вдоль оси чувствительного элемента при полете с ускорением или при нали­чии вибрации. Компенсация погрешностей, вызываемых влияни­ем инерционных сил, возможна следующими способами:

а) уравновешиванием инерционной массы подвижных частей упругого элемента и преобразователя с помощью противовеса, присоединенного через вспомогательную кривошипно-шатунную передачу, которая может не участвовать в функциональных пре­образованиях, а выполнять лишь роль носителя противовеса (рис. 6.10, а);

б) встречным соединением двух чувствительных элементов че­рез двойную кривошипно-шатунную передачу так, чтобы момен­ты инерционных сил взаимно уравновешивались, а моменты по­лезных сил (сил давления) суммировались (см. рис. 6.10,5);

в) применением двух механически не связанных между со­бой чувствительных элементов с электрическими преобразова­телями, так соединенными, чтобы их электрические сигналы от действия инерционных сил взаимно компенсировались, а сигна­лы от действия сил давления суммировались (см. рис. 6.10, в).

Кинематическая схема унифицированного датчика с чувствительным мембранным элементом, синусным передаточно-множительным механизмом и потенциометрическим выходным преобра­зователем изображена на рис. 6.11. Диапазон измерения может изменяться в пределах от 0—1 до 0—100 ат и более. Стандарт­ность конструкции механизма датчика обеспечивается тем, что при переходе от одного диапазона к другому изменяют только толщину мембраны, которая так подбирается, чтобы при любом диапазоне измерения ее прогиб был одинаковым (порядка 1 мм).

Вариант конструкции унифицированного датчика давления с индуктивным преобразователем показан на рис. 6.12.

Датчики давления, выдающие электрический сигнал при достижении контролируемого давления заданного значения, называются сигнализаторами давления. Конструкция унифицированного электромеханического сигнализатора давления с контактным преобразователем приведена на рис. 6.13.