Начини за измерване на налягането

Законите на Ом

Законът на Ом за електрическата верига. Съгласно този закон, токът I в електрическа верига е равен на e. г. а. Източникът E е разделен на съпротивлението на веригата Rф, i = e / rф

Импедансът на затворена електрическа верига може да бъде представен като сума от съпротивлението на външната верига R и вътрешното съпротивление Ro на източника. Следователно, сегашната сила

I = E / (R + Ro)

Още ух г. а. E източник и по-малко съпротивление на електрическата верига, толкова по-голям ток преминава през тази верига.

E. D. източник на електрическа енергия е равен на произведението на тока към импеданса на електрическата верига: E = IRф

Законът на Ом за част от електрическа верига. Законът на Ом може да се прилага не само за цялата верига, но и за всяка от неговите части. В този случай, напр. г. а. Е на източника в трябва да бъде заменен с потенциалната разлика между началото и края на разглеждания участък, т.е. напрежението U, а съпротивлението R на тази секция да бъде заменено във формулата вместо съпротивлението на цялата верига. В този случай законът на Ом е формулиран по следния начин. Токът I в тази част на електрическата верига е равен на напрежението, приложено към участъка, разделено на съпротивлението R на тази секция: I = U / R


2) Основни метрологични характеристики на измервателните уреди

Абсолютната грешка на приближението е модулът на разликата между истинската стойност на дадено количество и неговата приблизителна стойност. където е истинската стойност е приблизителна.

Относителната (намалена) грешка на приближението е отношението на абсолютната грешка към модула на абсолютната стойност. където е истинската стойност е приблизителна.

Относителната грешка обикновено се причинява в проценти.

· Изменение на показанията на измервателните уреди

Разликата между показанията на устройството в една и съща точка на измервателния обхват с плавен подход към тази точка от страна на по-малки и по-големи стойности на измерената стойност.

· Клас на точност - основната метрологична характеристика на устройството, която определя допустимите стойности на основните и допълнителните грешки, които влияят на точността на измерването.

Начини за измерване на налягането

Измервателните уреди, предназначени за измерване на налягането и диференциалното налягане, се наричат ​​манометри, които се разделят на барометри, манометри, манометрично налягане, вакууммери и абсолютни налягания в зависимост от измерените от тях атмосферни, габаритни, вакуумни и абсолютни налягания. Манометрите, предназначени за измерване на налягането или вакуума в диапазона до 40 kPa (0.4kgs / cm2), се наричат ​​манометри и манометри. Болтовете на стрелата имат двустранна скала с граници на измерване до ± 20kPa (± 0.2kgs / cm2). За измерване на разликите в налягането се използват диференциални манометри. В зависимост от принципа, използван за преобразуване на силата на налягането, приложен към чувствителен елемент, в индикации или пропорционални промени в друга физическа величина, средствата за измерване на налягането се разделят на течност, деформация, мъртва бутало, електрическа, йонизационна и термична.

Поплавъчни диференциали. Принципът на балансиране на измереното налягане чрез гравитацията на колоната на работния флуид се използва в манометри с диференциално налягане с плаваща течност, които са тип манометър за еднотръбни тръби. В широк съд, където се подават повече от измерените налягания, се носи поплавък. Неговото движение, определено от измерената разлика в налягането, се предава към стрелката за индикация или към записващото устройство.

Манометри с тръбна пружина. Повечето индикаторни, записващи, сигнални манометри и датчици за налягане с тръбна пружина са устройства за директно преобразуване, при които налягането последователно се преобразува в движение на чувствителния елемент и съответното механично индикаторно, записващо, контактно устройство, елемент на пневматичен или електрически преобразувател.

Манометри за товарни бутала. При товаро-буталните манометри измереното налягане се балансира от тежестта на неконсолидираното бутало с тежести. Манометрите се използват като примерни средства за възпроизвеждане на единица налягане в диапазона от 10-1 до 1013 Ра, както и за точни измервания на налягането в лабораторната практика.

Пиезоелектрични манометри. Принципът на действие на манометри от този тип се основава на пиезоелектричния ефект, чиято същност се състои в появата на електрически заряди на повърхността на компресирана кварцова пластина, която се реже перпендикулярно на електрическата ос на кварцовите кристали.

Манометри с тензометри. Манометрите с тензодатчици са близки по скорост към пиезоелектричните измервателни уреди. Първите са мембрани, върху които се поставят тел, фолио или полупроводникови резистори, чието съпротивление се променя по време на деформация на мембраната под действието на налягане.

Начини за измерване на потока

1. Разходомери с променлив пад.

Разходомерите с променлив пад на налягането се основават на зависимостта на скоростта на потока от спад на налягането, създаден от устройството, което е монтирано в тръбопровода, или от самия елемент.

2. Разходомери с притискащи устройства.

Те се основават на зависимостта от скоростта на потока на спадащото налягане, създадено от ограничаващото устройство, в резултат на което част от потенциалната енергия на потока се превръща в кинетична. Разликата в налягането преди и след ограничителното устройство се измерва с манометър за диференциално налягане.

Принципът на действие на този тип разходомери се основава на ефекта на Вентури. Вентури-дебитомерът ограничава потока на флуида в устройството, а сензорите за налягане измерват разликата в налягането пред определеното устройство и директно в точката на свиване.

Диафрагмата е диск с проходен отвор, вмъкнат в потока. Дисковата диафрагма стеснява потока, а разликата в налягането, измерена преди и след диафрагмата, ви позволява да определите дебита в потока. Този тип разходомер може грубо да се счита за една от формите на Вентури, но с по-високи енергийни загуби. Има три вида диафрагми: концентрични, ексцентрични и сегментни.

Ротаметърът се състои от конична тръба, отклоняваща се нагоре, в която се движи индикаторната поплавък. Измереният поток от течност или газ преминава през тръбата отдолу нагоре и повдига поплавъка. Колкото по-голям е поплавъкът, толкова по-голяма е площта около нея, през която може да тече поток. Повишаване толкова много, че гравитацията fG балансира лифт FR от страната на потока поплавъкът спира. По този начин всяка позиция на поплавъка съответства на определена скорост на потока.

В основата на електромагнитните разходомери е взаимодействието на движеща се електропроводима течност с магнитно поле, при спазване на закона за електромагнитната индукция.

Кориолисовите разходомери са устройства, които използват ефекта на Кориолис за измерване на масовия дебит на течности, газове. Принципът на действие се основава на промени в фазите на механични колебания на U-образни тръби, по които се движи средата. Фазовото изместване е пропорционално на масовия дебит. Поток от определена маса, движещ се през входящите разклонения на тръбите за протичане, създава сила на Кориолис, която се противопоставя на вибрациите на поточните тръби. Това съпротивление очевидно се усеща, когато гъвкавите маркучи се навиват под налягането на водата, която се изпомпва през нея.

Вихров разходомер е вид дебитомер, чийто принцип на действие се основава на измерване на честотата на осцилациите, които се случват в потока в процеса на образуване на вихър. При вихровите разходомери се създава тяло, което създава вихрово движение по пътя на движещ се поток от течност, газ или пара, обикновено под формата на трапецовидна в напречно сечение.

Топломер - разходомер, в който се използва ефектът на пренос на топлина от нагрято тяло чрез движеща се среда за измерване на дебита на течност или газ.

Един прост начин за измерване на обемния поток се основава на свойствата на разпространение на ултразвук в течност. В резултат на ултразвуково измерване е възможно да се получи средна скорост на течността, която се определя от скоростта на разпространение на ултразвуковите вълни.

Ултразвуковото измерване се извършва с помощта на два пиезоелектрични преобразувателя, разположени на противоположните страни на тръбата на разстояние (по оста на тръбата) най-малко 100 mm един от друг; те могат да работят както в режим на излъчване (директно), така и в режим на отражение.

Метод за измерване на налягането

Горната граница на измерване на двутръбни манометри е 1... 10 kPa с намалена грешка на измерване от 0,2... 2%. Точността на измерването на налягането от този инструмент ще се определя от точността на референтната стойност на h, точността на определяне на плътността на работния флуид  и няма да зависи от секцията на тръбата.

По-удобен начин за измерване на налягането е манометър за еднотръбни (плаки) (Фиг.2.141, б), в който една от тръбите е заменена с съд, като диаметърът му, като правило, е 20 пъти по-голям от диаметъра на тръбата. Принципът на манометъра е подобен на горния, но налягането или вакуумът ще се определят по формулата:

където d,, D са диаметрите на тръбата и съответно широкия съд, m;

f, F - сечения на тръбата и широк съд, m 2.

Тъй като съотношението на диаметрите или участъците на тръбата и съда е значително, намалява нивото на h2когато налягането се промени, можем да пренебрегнем и прочетем само стъклената тръба, т.е. Poh1.

Еднотръбните манометри имат горна граница на измерване от 1,6... 10 kPa, намалената грешка на измерването е 0,25... 0,4%.

На фиг. 2.141 е показан еднотръбен микроманометър, базиран на същия принцип, който се използва за измерване на малки налягания (до 2 kPa). В този манометър стъклената тръба е под ъгъл  към хоризонта. В същото време точността на измерване се увеличава няколко пъти.

Като се има предвид, че h1 = l sin  и пренебрегвайки малката f / F, измереното налягане може да се определи от израза

С намаляване на ъгъла на наклона на тръбата, границите на измерване с манометър намаляват, а точността на измерването се увеличава.

Гореописаните инструменти за измерване на налягането на течността се характеризират с липсата на дистанционно предаване на показания, малки обхвати на измерване и ниска трайност. В същото време, поради тяхната простота, ниска цена и сравнително висока точност на измерванията, те са широко разпространени в лаборатории и по-рядко в промишлеността по време на случайни измервания и проверка на други видове измервателни уреди.

Деформационните средства за измерване на налягането се основават на балансиране на силата, създадена от налягане или вакуум на контролирана среда върху чувствителен елемент, от силите на еластични деформации на различни видове еластични елементи. Тази деформация под формата на линейни или ъглови движения се предава на записващо устройство (индикация или запис) или се преобразува в електрически (пневматичен) сигнал за дистанционно предаване.

Като чувствителни елементи се използват тръбни пружини (Фиг.2.142, а), многооборотни пружини (Фиг.2.142, б), еластични мембрани (Фиг.2.142, в), еластични мембранни кутии (Фиг.2.142, г, д), двойни еластични. мембранни кутии (Фиг.2.142, д, ж), пружинна мембрана с гъвкава мембрана (Фиг.2.142, з), силфони (Фиг.2.142, и) и пружинен силфон (Фиг.2.142, К).

За производството на мембрани се използват силфонни и тръбни пружини, бронзови, месингови, никел-хромни сплави, които се отличават с достатъчно висока еластичност, антикорозия, ниска зависимост на параметрите от температурните промени.

Нека разгледаме по-подробно някои деформационни инструменти за измерване на налягането.

За измерване на ниско налягане (до 40 kPa) на неутрални газообразни среди се използват мембранни инструменти. Класът на точност на тези устройства е 2.5.

На фиг. 2.143 показва конструкцията на мембранен вакуумметър с профилна скала от 250 до 25 000 Ра. Мембранната кутия 6 е свързана с променлива среда като чувствителен елемент., завърта лоста 7, монтиран на оста 8. За да се увеличи твърдостта на еластичната система, оста 8 се фиксира върху плоската пружина 10. Ротацията на лоста 7 причинява движението на тягата 14 и лоста 1 върху оста 4. на същата ос с помощта на заключващия винт 2 е фиксирана стреловата стрелка 5 с противотежест 3. Краят на стрелката на стрелката 5 се движи по хоризонталната скала на профила. Спирачната пружина 15 служи за елиминиране на ефекта на пролуките в съединенията на лостовия механизъм. За да настроите стрелката на началната маркировка на скалата, използвайте винт 11 на нулевото отместване., 0

Приспособленията за силфонни тръби са предназначени за измерване на налягането при свръхналягане и вакуум на неагресивни газове с граници на измерване до 40 kPa, до 400 kPa (като измервателни уреди), до 100 kPa (като вакууммери).

Чувствителният елемент на тези устройства е силфонът (вж. Фиг. 2.142, и), който представлява тънкостенна цилиндрична цистерна с напречно гофриране, която променя линейните си размери с падане на налягането вътре и извън него. Силфоните са изработени от фосфорен бронз, неръждаема стомана или никел-медна сплав.

Използвайте силфон с диаметър 8... 150 mm, с дебелина на стената 0,1... 0,3 mm, с броя на вълните 4; 6; 10 и 16.

Устройства от този тип са конструктивно съставени от две части: силово устройство и записващо устройство (индикиращо или записващо). И двата блока са интегрирани в един корпус.

Фиг.2.144 показва конструкцията на саморегулиращия се манометър със силфон. Измереното налягане през дюзата 7 се подава в камерата 6, където се поставя силфон 4. Вътрешната област на силфон 4 взаимодейства с атмосферата. Във вътрешността на меховете 4 е монтирана пружина 5, противоположна на нейната компресия. В дъното на силфона 4 се поставя щифт 3, свързан с лоста 2, който предава движението от силфоните 4 към лоста 1. Този лост е свързан с лоста 9, предаващ движението към стрелката 8 с монтирано върху него пера. Следата от движението на стрелката с писалка се записва на диаграма, движена от часовников механизъм или синхронен двигател.

Тръбно-пружинните устройства са сред най-често използваните манометри и вакууммери.

Тръбната пружина е тънкостенна, огъната по дъга на кръг, тръба (единична или многооборотна) с един край, запоен, изработен от медни сплави или неръждаема стомана. Тъй като налягането във вътрешността на тръбата се увеличава или намалява, пружината се разгъва или усуква под определен ъгъл.

Фиг.2.145 показва устройството на най-простия пружинен манометър. Състои се от тяло 1; Кухата тръба 2, направена във формата на огъната в кръг под ъгъл 270  с овално напречно сечение, е свободна и плътно затворена от едната страна и запоена към държача от другата, която е свързана с източника на измереното налягане с помощта на фитинг 8. Затворен край на тръбата с каишка 7 е свързан със зъбния сектор 6, който е захванат с зъбно колело 5, който е монтиран на същата ос с индикаторната стрелка 4. Под действието на прекомерно налягане, тръбата е разгъната, свободният му край се движи и издърпва поводката 7, която завърта свързаната предавка 6. Последният пети сектор зъбно колело 5 и завърта стрелката 4, по скала показва стойност на измереното налягане 3. За да се елиминира мъртъв ход между зъбите на сектора и предавката се използва спирална пружина 9.

Манометри от разглеждания тип са на разположение за горните граници на измерване 60... 160 kPa.

Всички разгледани по-горе деформационни средства за измерване на налягането принадлежат към не-отдалечени схеми, основани на принципа на директна трансформация на деформацията в сигнал, който пристига към индикаторно устройство.

Съществува значителен брой дистанционни вериги, в които деформационният сигнал на еластичен елемент (мембрана, силфон, пружинна тръба и др.) Се използва за придвижване на преобразувателния елемент (електрически, индуктивен и др.), Сигналът на който е записан на индикаторното устройство ( ris.2.146).

Така, на фиг.2.146, и деформационният сигнал на еластичен елемент (мембрана) се използва за преместване на плъзгача на потенциометъра. Потенциометърът образува две рамена (R1и R2а) мост, а другите две рамена са съставени от резисториR3и R4. Като указател в габарита се използва двумоторен логаметър 1 с фиксирани рамки (бобини) и подвижен магнит 2.

Промяната в налягането в кухината на манометричната кутия се превръща в сила, която кара кутията да се деформира. Последното причинява изместване на четката на потенциометъра и следователно промяна в разликата на съпротивления и напрежения по диагонала на моста. Съотношението на токовете в рамката на двойния logometer 1 определя положението на индикаторната стрелка.

За да се елиминира контактното триене на четката върху потенциометъра, се използват безконтактни преобразуватели: индуктивни или капацитивни. В манометър с индуктивен диференциален преобразувател (Фиг.2.146, б), котвата е свързана с твърдия център на мембраната. Сигналите на променливия ток, отстранени от индуктивния преобразувател 1, модулирани по амплитуда от деформационния сигнал, се коригират с диод D и откритите сигнали, пропорционални на измереното налягане, се изпращат към двумоторен логаметър с движещи се магнитни 2 индикатори.

Използват се и схеми с балансиращи преобразуватели: статични (компенсация на мощността) и астатични (проследяващи системи).

В схемата за статично уравновесяване (Фиг.2.146, в) деформацията на силфоните се преобразува в движение на лоста 1, в края на който се инсталира преобразувател на сигнала 2. с лоста 1. Когато токовете взаимодействат в намотката с магнитното поле на постоянния магнит, се формира сила, която балансира силата, създадена от силфоните и възпрепятства движението на лоста 1. В същото време, по-голямото измерено налягане т.е., по-голямата сила на тока в намотките. По този начин, до статична грешка, лостът ще бъде в средно положение, а показанията на инструмента, пропорционални на силата на тока в бобините, ще бъдат мярка за налягането, подадено към инструмента.

Електрически уреди и вакууммери.

Работата на устройствата от тази група се основава на свойствата на някои материали да променят техните електрически параметри под действието на налягане.

Пиезоелектричните манометри се използват за измерване на пулсиращото налягане с висока честота в механизмите с допустимо натоварване на чувствителния елемент до 8 * 10 3 GPa. Чувствителен елемент в пиезоелектричните манометри, които превръщат механичните напрежения в електрически колебания, са цилиндрични или правоъгълни плочи с дебелина от няколко милиметра кварц, бариев титан или керамика.

Конструкцията на пиезоелектричния манометър на преобразувателя е показана на ris.2.148. Измереното налягане през мембраната 7 действа върху пиезоелектричните елементи 8 и 9, разположени така, че на техните вътрешни повърхности, които са в контакт с металния уплътнител 4, възникват подобни заряди. Потенциалът от вътрешните ръбове на плочите се отстранява с изолиран проводник 3, прикрепен към уплътнението 4, и от външните ръбове на пиезоелектричните елементи през корпуса и металните уплътнения 2 и 5, мембраната 7 и топчето 10, капакът 1. Фитингът 6, захващащ мембраната 7, се използва за закрепване на чувствителната мембрана 7. на обекта за измерване.

Степента на електрическия заряд ще бъде пряко пропорционална на налягането:

където q е зарядът, С; K - пиезоелектрична константа, CL / H; p - налягане, Pa; S - повърхност на плочите, m 2.

Измерването на заряда се извършва от електронна схема.

Тензометрите имат малки габаритни размери, лесно устройство, висока точност и надеждност при работа. Горната граница на отчитането е 0,1... 40 MPa. Използва се в трудни производствени условия.

Като чувствителен елемент в тензомерите се използват тензодатчици, чийто принцип на действие се основава на промяната на съпротивлението под действието на деформация.

Конструкцията на тензодатчика е показана на фиг. 2.149. Манометърът има цилиндрично тяло 4, което образува в горната част еластична мембрана, а в долната част - фитинг за подаване на измереното налягане p. Към мембраната е запоена кръгла сапфирова плоча 1, върху която се прилагат повърхностно тънкослойни полупроводникови тензодатчици R.1... R4монокристален силиций.

Тензодатчиците, използващи запоени проводници 5, са свързани с предварително монтирани плочи 2, монтирани на пръстен от диелектрик 3.

Налягането в манометъра се измерва чрез верига на небалансиран мост, рамената на който са тензодатчици R1... R4.

В резултат на деформация на мембраната със сапфирови плочи 1 и тензодатчици се получава дисбаланс на моста под формата на напрежение, което се преобразува от усилвател в изходен сигнал, пропорционален на измереното налягане.

Принципът на работа на термичните вакууммери (фиг.2.150) се основава на зависимостта на топлопроводимостта на газообразната среда от степента на неговия вакуум. И в двете схеми чувствителният елемент е платинена нишка 3, нагрята чрез преминаване на електрически ток и разположена във вакуум цилиндър 2. С увеличаването на изпускането на средата, неговата топлопроводимост ще намалее, поради което нагретата нишка ще загуби топлина към стените на вакуумния цилиндър 2, което ще доведе до влошаване на температурата му, което ще повиши температурата му, Измервайки температурата на спиралата, можете да прецените присъствието на вакуум. Температурата на нагряване на нажежаемата спирала трябва да бъде около + 100 ° С, за да се изключи пренос на топлина, дължаща се на радиация.

В термичен вакуумметър с термодвойка температурата се измерва с термодвойка 5, изработена от хромел-копел, и се свързва с нишката с тънка кука. Температурата на спиралата се измерва с милливолтметър, свързан чрез електрически входове 1.

Термичните вакууммери се използват за измерване на много малки налягания (вакуум)

За измерване на разликата (диференциалното) налягане на течности и газове се използват уреди за диференциално налягане. Те могат да се използват за измерване на дебита на газове и течности, нивото на течността, както и за измерване на малък излишък и налягане във вакуум.

Най-широко използвани в промишлеността са мембранни и мембранни манометри.

Мембранните диференциални манометри са скалируеми първични измервателни уреди, предназначени за измерване на налягането на неагресивни среди, които превръщат измерената стойност в единен аналогов DC сигнал 0… 5 mA, променлив ток с взаимна индукция 0… 10 mH или пневматичен сигнал за налягане 20… 100 kPa.

Схемата на мембранния диференциален манометър тип DM с преобразувател на диференциален трансформатор е показана на фиг. 2.151, a. Чувствителният елемент на този уред е мембранна единица, състояща се от две мембранни кутии 1 и 3, фиксирани в корпуса 2. Мембранните кутии са изработени от гофрирани мембрани, изработени от немагнитна никел-хромова сплав. Вътрешните кухини на кутиите се пълнят с дестилирана вода и през отвора в преградата се общуват помежду си. Сърцевината 4 на преобразувателя 5 на диференциалния трансформатор е свързана с центъра на горната мембрана, а сърцевината 4 се движи вътре в разделителната тръба 6 от немагнитна стомана. Налягане p1 и p2в камерите на диференциалния манометър се подава чрез тръби през спирателните клапани, а налягането р1 повече налягане p2. Под действието на измерената разлика в налягането (p1-R2) долната мембранна кутия 1 се компресира и течността тече от нея в горната мембранна кутия 3, като причинява центърът на мембраната на горната кутия и заедно с него сърцевината 4 на преобразувателя да се движат, докато силата от разликата в налягането, приложена към мембранната единица, се балансира от еластичните сили на мембраната кутии. Преместването на сърцевината 4 води до промяна на напрежението на изходния сигнал, пропорционално на измерения спад на налягането.

Диференциални манометри от тип DM се произвеждат за максимално спадане на налягането от 1,6... 630 kPa.

Механизми за диференциално налягане. На фиг. 2.151, b показва конструкцията на уреда за измерване на диференциално налягане с магнитно преобразувател. Измервателната единица на манометъра за диференциално налягане се състои от мехур 1, в който е вградена пружината 2, като неговата твърдост определя обхвата на измереното диференциално налягане. Силфонът 1 е здраво свързан с плоска пружинна суспензия 3, която е свързана с магнитното ядро ​​4. Магнитната сърцевина 4 е разположена вътре в разделителната тръба 5 на немагнитна стомана, върху която преобразувателят 6 е ​​монтиран с магнитна компенсация. До преобразувателя 6 е разположен транзисторен усилвател 7. Подаване на налягане p1и p2В камерите на манометъра за диференциално налягане през импулсни тръби. Под влияние на разликата в налягането (p1-R2) духал 1 се компресира, което води до движение на дъното. В този случай, магнитното ядро ​​4 на преобразувателя 6 се движи, действайки върху магнитния усилвател, изходният сигнал на който е допълнително усилен и под формата на унифициран сигнал от 0... 5 mA отива към вторичното устройство.

Предлагат се манометри за диференциални силфони за максимално спадане на налягането от 1... 4 kPa, предназначени са за максимално допустимо работно свръхналягане от 25 kPa.

Методи за измерване на налягането;

въведение

ИЗМЕРВАНЕ НА НАЛЯГАНЕТО

съдържание

2. Методи за измерване на налягането¼3

1. Тегло на метода¼3

3. Метод на захранването3

4. Честотен метод¼4

5. Piezoresistor методорный4

6. Термопроводящ метод¼6

7. Йонизационен метод¼7

8. Електрокинетичен метод¼9

3. Пружинни манометри и датчици за налягане12

1. Манометри на пружината¼12

2. Датчици за налягане на пружината13

3. Изчисляване на характеристиките на пружинните манометри и сензорите за налягане.16

4. Грешки на пружинните манометри и сензорите за налягане.24

4. Електрически дистанционни уреди

1. Индикатори за електрически дистанционни уреди 35

2. Грешки на електрическите дистанционни уреди.40

Манометрите (манометрите на абсолютното налягане и диференциалните измервателни уреди) се използват на въздухоплавателни средства за измерване на налягането на въздуха, газта и течността в компонентите на авиационния двигател и в различните бордови системи - в кабинната система под налягане, в спирачната система, в системите за колесници, клапаните и др. Абсолютните манометри и диференциалните уреди също са включени в манометричните навигационни средства за полет, широко използвани на въздухоплавателните средства; тези уреди измерват общото и статичното налягане на протичащия въздушен поток и автоматично преизчисляват резултатите от измерването, като използват известни функционални зависимости, за да определят косвено височината на полета, посочената скорост, истинската въздушна скорост, М броя и вертикалната скорост.

Известни са следните основни методи за измерване на налягането: тегло, пружина, мощност, честота, пиезорезистор, термопроводящ, йонизиращ и електрокинетичен. Разгледайте характеристиките на тези методи.

1. Метод за теглото

Тегловният метод се основава на балансиране на силите на налягането с теглото на колоната за течност или референтното тегло. Конструираните по този метод бутални уреди практически не са приложими за самолети поради големи грешки при наклони и ускорения.

2. Пролетен метод

Пружинният метод се основава на зависимостта на деформацията на еластичния чувствителен елемент от приложеното налягане. При манометрите деформацията се предава на четящото устройство (фиг. 1), а в сензорите се преобразува в електрическа величина, която служи като изходен сигнал (фиг. 2). Обхватът на налягането, измерен чрез пружинни манометри и сензори, варира от няколко mm вода. Чл. до стотици атмосфери.

Фиг.1. Схема на пружинния манометър:

a¾ измерване на диференциалното налягане; b¾ измерване на абсолютното налягане; 1а и 1Ь-еластични чувствителни елементи; 2¾ херметизиран корпус; 3¾ свързваща щанга; 4¾ манивела; 5¾ зъбен сектор; 6¾ tribka; Сочеща стрелка

3. Силов метод

Методът на силата се основава на зависимостта на силата или момента на силите, развивани от нееластичен или еластичен чувствителен елемент от приложеното налягане. Съгласно този метод се изграждат два типа устройства и сензори за налягане:

а - сензори за директно преобразуване (Фиг. 3), в които силата, развивана от чувствителен елемент, се преобразува от електрически преобразувател в електрическа величина; въглища, полупроводници, пиезоелектрични, магнитоеластични елементи могат да се използват като електрически преобразуватели;

б - уреди и сензори с компенсация на мощността (фиг. 4), в които силата, развивана от чувствителния елемент, се балансира от силата, създадена от компенсиращия елемент. В зависимост от вида на компенсиращото устройство, изходният сигнал може да бъде силата на тока (виж Фиг. 4, а), линейно или ъглово изместване (виж Фиг. 4, б).

Методът на сила е приложим за измерване на налягания в същия диапазон като пружинния метод.

4. Честотен метод

Честотният метод се основава на зависимостта на честотата на естествените колебания на тънкостенния цилиндричен резонатор от разликата в налягането, действащо върху неговите вътрешни и външни повърхности. Сензорите, построени по този метод (фиг. 5), се наричат ​​сензори за вибрационно налягане (VDD).

С помощта на електронна верига, осцилациите на резонатора се периодично възбуждат или постоянно са в автоколебателен режим. Изходният сигнал на VDD може да служи като честота на електрически импулси, което позволява използването на VDD в системи с цифрови компютри.

Фиг.2. Сензорен сензор за налягане:

1¾ еластичен чувствителен елемент; 2¾ херметизиран корпус; 3¾ свързваща щанга; 4¾ манивела; 5¾ лост; 6¾ четка; Потенциометър 7¾

Фигура 3. Диаграма на сензора за силово налягане

1¾ чувствителен елемент (мембрана); 2¾ електрически преобразувател

Методът на пиезорезистора се основава на зависимостта на електрическото съпротивление на проводник или полупроводник от величината на налягането, действащо върху него. Фигура 6 показва схема на пиезорезистивен сензор за налягане, чийто чувствителен елемент е манганинова жица с диаметър 0.03-0.05 mm.

Фигура 4. Вериги за компенсиране на налягането с компенсация на мощността:

а) с изход на електрически ток; b¾ с изход чрез изместване; 1¾ мембрана; 2¾ преобразувател за изместване на електрическото напрежение (индукция, капацитивен и др.); 3¾ усилвател; 4¾ преобразувател на електрически ток в сила (магнитоелектричен, електродинамичен или друг); 5¾ галванометър; 6¾ двигател; 7¾ скоростна кутия; 8¾ камера; 9¾ пружина

Когато се прилага налягане от 1000 kg / cm 2, съпротивлението се променя само с 0,2%. Следователно резисторните сензори с жичен сензор са приложими за измерване на много високи налягания (десетки хиляди атмосфери). Полупроводниковите сензорни елементи (ферити, керамични пиезоелектрици и др.) Имат по-висока чувствителност от тел, но техните характеристики са нестабилни и значително зависят от температурата.

Термопроводящият метод се основава на зависимостта на топлопроводимостта на газа от абсолютното му налягане (при ниски абсолютни налягания). По време на потока на електрическия ток през проводника (виж Фиг. 6, б), чиято сила се поддържа постоянна, температурата на нагряване на проводника ще зависи от топлопроводимостта на околния газ, който се променя линейно с налягането в обхвата на ниското налягане. Температурата на проводника може да бъде измерена с помощта на термодвойка, заварена към нея, но ако се приложи материал с висок температурен коефициент, то температурата на нагряване може да се прецени по промяната на съпротивлението на проводника. Чувствителността на термопроводимите сензори зависи от състава на газа.

Фигура 5. Диаграма на вибрациите Фиг.6. Диаграми на електрически сензори за налягане:

сензор за налягане ayorezistor; b¾ термопроводящ (топлина); v електронни; r¾ радиоактивни; 1¾ запечатан корпус; 2¾ манганинов резистор; 3¾ изход; Изолационен ръкав 4¾; 5; стъклена бутилка; 6¾ платинена спирала.

Обхватът на термопроводящия метод за измерване на налягането е ограничен до 10 пределами10 -3 mm Hg.

Методът на йонизация се основава на зависимостта на степента на йонизация на газа от налягането. В зависимост от типа на сензора, йонизацията на газа се създава чрез емисии на електрони или радиоактивно лъчение. Електронен сензор е триелектродна електронна лампа с горещ катод, в която се подава измерено налягане p (виж фиг. 6, в). Ако има разлика в потенциала между анода и катода, който надвишава йонизационния потенциал на газа, газовите молекули се йонизират от електрони, летящи от катода до анода. В същото време върху отрицателно заредената мрежа се формират положителни йони и се създава мрежов йонизационен ток, чиято стойност при р = 10 -3 mm Hg. Чл. пропорционално на абсолютното налягане, ако анодният ток е постоянен. Изходната стойност на сензора е йонизиращият ток.

Обхватът на електронния сензор е от 10 -3 до 10 -8 mm Hg. В този случай, размерът на тока на мрежата в този случай е 10 -4 -10 -7 a.

Вариация на йонизационните измервателни уреди е манометър за налягане на магнитния електрически разряд, който се различава от този, разгледан по-горе в отсъствието на катодна топлина. Газовите молекули, чието налягане се измерва, се йонизират от свободни електрони, които се движат с голяма скорост от катода към анода, под въздействието на високо анодно напрежение от стотици до няколко хиляди волта. За увеличаване на средния свободен път на електрони (за да се увеличи вероятността от сблъскване с газови молекули) се създава магнитно поле между катода и анода, което нарушава траекторията на движението на електрони, които се движат по спирала. Токът на газовия разряд има относително голяма стойност - стотици микроампи и може да бъде измерен без предварително усилване. Границите на измерване на магнитни газоразрядни манометри са 10 -6 ¸1 mm Hg. Чл.

Сензорът за радиоактивно налягане се различава от електронния по това, че йонизацията на газовите молекули се създава под въздействието на a-частици (положително заредени ядра на хелий), образувани по време на разпадането на радиоактивно вещество с достатъчно дълъг полуживот. Радиация, полоний-210, плутоний-239 се използват като източници на радиация. На един от двата електрода, поставени във вътрешността на камерата, в която се подава измереното налягане, се нанася слой от вещество (виж фиг. 6, г). Съпротивлението се свързва последователно с електродите и се подава напрежение U. Изходната стойност е йонизиращият ток I или падащото напрежение, създадено от този ток на съпротивлението R. Това напрежение може да бъде усилено с помощта на усилвател с високо входно съпротивление.

Недостатък на радиоактивните сензори е малкото количество йонизационен ток (10 –9–10 –16 а), в резултат на което се поставят високи изисквания за изолацията на електродите и входната верига на усилвателя. По-специално, във входния етап на усилвателя трябва да се използва електрометрична лампа. Наляганията, измерени чрез радиоактивни сензори, са в диапазона 10 -3 -10 3 mm Hg. Чл.

8. Електрокинетичен метод

Фигура 7. Електрокинетичен кръг на датчика за налягане

Електрокинетичният метод се основава на появата на електрокинетичния потенциал на полярната течност, тъй като тече през пореста диафрагма. Сензорът за налягане, конструиран по този метод (фиг. 7), съдържа керамична диафрагма, поставена в цилиндричен обем, ограничена от две мембрани и напълнена с полярна течност (например разтвор на калиев йодид с малко добавяне на йод, отрицателни йони, които са носители на заряд). Когато на мембраните се прилага диференциално налягане, част от течността тече през диафрагмата и се формира разлика в потенциала, която се отстранява от два платинени електрода, поставени от двете страни на диафрагмата. Електрокинетичните сензори са приложими за измерване на променливи налягания, тъй като при постоянно налягане притокът на течност през диафрагмата спира с течение на времето. Честотният диапазон на измереното налягане може да бъде от десети до няколкостотин херца, диапазонът на измерените налягания е от хилядни до десетки атмосфери. Недостатъкът на електрокинетичните сензори, в допълнение към невъзможността за измерване на постоянни налягания, е голяма температурна грешка.

Ще оценим разглежданите методи от гледна точка на тяхната приложимост за въздухоплавателните средства.

Предимството на електрическите методи, които са в основата на кондуктометрични, пиезорезисторни, йонизационни (електронни, газоразрядни и радиоактивни) сензори, е способността да се преобразува налягането в електрически сигнал без използването на движещи се части; Тези сензори обаче имат някои недостатъци, поради които не се използват широко в самолета: кондуктометрични и електронни сензори работят само в областта с ниско налягане, а пиезорезистивните сензори - много високи; радиоактивните сензори имат ниска чувствителност.

От електрически методи за измерване на налягането йонизационният метод има практическо приложение; Йонизационните сензори се използват на космически кораби за измерване на ниски налягания в горната атмосфера.

Електрохимичните сензори все още не са намерили практическо приложение, тъй като са неподходящи за измерване на бавно измерените налягания и освен това имат големи температурни грешки.

Електромеханичните методи - сила и пружина - са по-подходящи за измерване на налягането в самолети, тъй като позволяват изграждането на сензори, които работят в широк диапазон от хилядни до стотици или дори хиляди атмосфери. Най-простият е силовия метод на директното преобразуване, но неговото приложение е ограничено поради липсата на точност на елементите, които превръщат силата, развивана от чувствителен елемент, в електрически сигнал; както за пиезоелектричните преобразуватели, те са неподходящи за измерване на бавно променящите се налягания.

Методът на компенсиране на мощността е по-обещаващ от гледна точка на повишаване точността на измерване на налягането, но сензорите, конструирани по този метод, са относително сложни, което донякъде ограничава използването на този метод.

Във връзка с разработването на вградени цифрови компютри обещава честотният метод за измерване на налягането, който все още не е добре развит.

Най-широко използваните на въздухоплавателни средства от всички класове са намерили пролетен метод, който осигурява доста точно измерване на налягането в желания диапазон. По-долу са разгледани по-подробно пружинни манометри и датчици за налягане, както и електрически дистанционни манометри.

МЕТОДИ ЗА ИЗМЕРВАНЕ НА НАЛЯГАНЕТО

Известни са следните основни методи за измерване на налягането: тегло, пружина, мощност, честота, пиезорезистор, термопроводящ, йонизиращ и електрокинетичен. Разгледайте характеристиките на тези методи.

1. Метод на теглото [9]

Тегловният метод се основава на балансиране на силите на налягането с теглото на колоната за течност или референтното тегло. Конструираните по този метод бутални уреди практически не са приложими за самолети поради големи грешки при наклони и ускорения.

2. Пружинен метод [1], [9]

Пружинният метод се основава на зависимостта на деформацията на еластичния чувствителен елемент от приложеното налягане. При манометрите деформацията се предава на четящо устройство (фиг. 6.1), а в сензорите се преобразува в електрическа величина, която служи като изходен сигнал (фиг. 6.2). Обхватът на налягането, измерен чрез пружинни манометри и сензори, варира от няколко mm вода. на стотици атмосфери.

3. Метод на силата [9]

Методът на силата се основава на зависимостта на силата или момента на силите, развивани от нееластичен или еластичен чувствителен елемент от приложеното налягане. Съгласно този метод се изграждат два типа устройства и сензори за налягане:

а - датчици за мощност на директно преобразуване (фиг. 6.3), в които силата, развивана от чувствителен елемент, се преобразува от електрически преобразувател в електрическа величина; въглища, полупроводници, пиезоелектрични, магнитоеластични елементи могат да се използват като електрически преобразуватели [4], [7], [9], [12];

b - уреди и сензори с компенсация на мощността (фиг. 6.4), при които силата, развивана от чувствителния елемент, се балансира от силата, създадена от компенсиращия елемент [16].

В зависимост от вида на компенсиращото устройство, изходният сигнал може да бъде силата на тока (виж фиг. 6.4, а), линейно или ъглово изместване (виж фиг. 6.4, б).

Методът на сила е приложим за измерване на налягания в същия диапазон като пружинния метод.

4. Честотен метод [2], [5]

Честотният метод се основава на зависимостта на честотата на естествените колебания на тънкостенния цилиндричен резонатор от разликата в налягането, действащо върху неговите вътрешни и външни повърхности. Сензорите, построени по този метод (фиг. 6.5), се наричат ​​сензори за вибрационно налягане (VDD).

С помощта на електронна верига, осцилациите на резонатора се периодично възбуждат или постоянно са в автоколебателен режим. Изходният сигнал на VDD може да служи като честота на електрически импулси, което позволява използването на VDD в системи с цифрови компютри.

5. Пиезорезисторен метод [9]

Методът на пиезорезистора се основава на зависимостта на електрическото съпротивление на проводник или полупроводник от величината на налягането, действащо върху него. На фиг. 6.6, и показва схема на пиезорезистивен сензор за налягане, чийто чувствителен елемент е манганинова тел с диаметър 0.03-0.05 mm.

Когато се прилага налягане от 1000 kg / cm 2, съпротивлението се променя само с 0,2%. Затова резисторните сензори с чувствителен проводник са приложими за измерване на много високо налягане (десетки хиляди атмосфери). Чувствителните полупроводникови елементи (ферити, керамични пиезоелектрични материали и др.) Имат по-висока чувствителност от тел, но техните характеристики са нестабилни и значително зависят от температурата [4], [12].

6. Термопроводящ метод [6], [10]

Термопроводящият метод се основава на зависимостта на топлопроводимостта на газа от абсолютното му налягане (при ниски абсолютни налягания). При преминаване на електрически ток през проводник (виж Фиг. 6.6.6), чиято сила се поддържа постоянна, температурата на нагряване на телта ще зависи от топлопроводимостта на околния газ, който се променя линейно с налягането в областта на ниското налягане. Температурата на проводника може да бъде измерена с помощта на термодвойка, заварена към нея, но ако се приложи материал с голям температурен коефициент, тогава температурата на нагряване може да се прецени по промяната на съпротивлението на проводника. Чувствителността на термопроводимите сензори зависи от състава на газа.

Обхватът на метода за измерване на термопроводимото налягане е ограничен до 10h-10 граници.

7. Йонизационен метод [3], [6], [10], [15]

Методът на йонизация се основава на зависимостта на степента на йонизация на газа от налягането. В зависимост от типа на сензора, йонизацията на газа се създава чрез емисии на електрони или радиоактивно лъчение. Електронният сензор е три електродна електронна лампа с горещ катод, в която се подава измереното налягане p (виж фиг. 6.6, в). Ако има разлика в потенциала между анода и катода, който надвишава йонизационния потенциал на газа, газовите молекули се йонизират от електрони, летящи от катода до анода. В същото време върху отрицателно заредената мрежа се формират положителни йони и се създава мрежов йонизационен ток, чиято стойност при р = 10 -3 mm Hg. Чл. пропорционално на абсолютното налягане, ако анодният ток е постоянен. Изходната стойност на сензора е йонизиращият ток.

Обхватът на електронния сензор е от 10 -3 до 10 -3 mm Hg, арт., Размерът на тока на мрежата в този случай е 10 -4 10 -7 a.

Вариация на йонизационните измервателни уреди е манометър за налягане на магнитния електрически разряд, който се различава от този, разгледан по-горе в отсъствието на катодна топлина. Газовите молекули, чието налягане се измерва, се йонизират от свободни електрони, които се движат с голяма скорост от катода към анода, под въздействието на високо анодно напрежение от стотици до няколко хиляди волта. За да се увеличи средният свободен път на електроните (за да се увеличи вероятността от сблъсък с молекулите на газа), между катода и анода се създава магнитно поле, което изкривява траекторията на електроните, които се движат по спирала. Токът на газовия разряд има относително голяма стойност - стотици микроампери и може да бъде измерен без предварително усилване. Границите на измерване на магнитните газоразрядни манометри 10 -6 1 mm Hg. Чл.

Сензорът за радиоактивно налягане се различава от електронния по това, че йонизацията на газовите молекули се създава под влиянието на - частици (положително заредени ядра на хелий), образувани по време на разпадането на радиоактивно вещество с достатъчно дълъг полуживот. Радиация, полоний-210, плутоний-239 се използват като източници на радиация. Полага се слой от вещество върху един от двата електрода, поставени вътре в камерата, в който се подава измереното налягане (виж фиг. 6.6, г). Последователно с електродите, съпротивлението се включва и се прилага напрежението. Изходната стойност е йонизационният ток I или падащото напрежение, генерирано от този ток при съпротивление R. Това напрежение може да бъде усилено с усилвател с високо входно съпротивление. Недостатъкът на радиоактивните сензори е малко количество йонизационен ток (10 -9 10 -16 а), в резултат на което се поставят високи изисквания за изолацията на електродите и входната верига на усилвателя. По-специално, във входния етап на усилвателя трябва да се използва електрометрична лампа. Наляганията, измерени с радиоактивни сензори, са в диапазона от 10 -3 10 3 mm Hg. Чл.

8. Електрокинетичен метод [14]

Електрокинетичният метод се основава на появата на електрокинетичния потенциал на полярната течност, тъй като тече през пореста диафрагма. Сензорът за налягане, изграден по този метод (фиг. 6.7), съдържа керамична диафрагма, поставена в цилиндричен обем, ограничена от две мембрани и напълнена с полярна течност (например разтвор на калиев йодид с малко добавяне на йод, отрицателни йони, които са носители на заряда). Когато на мембраните се прилага диференциално налягане, част от течността тече през диафрагмата и се формира разлика в потенциала, която се отстранява от два платинени електрода, поставени от двете страни на диафрагмата. Електрокинетичните сензори са приложими за измерване на променливи налягания, тъй като при постоянно налягане притокът на течност през диафрагмата спира с течение на времето. Честотният диапазон на измереното налягане може да бъде от десети до няколкостотин херца, обхватът на измерените налягания - от хилядни до десетки атмосфери. Недостатъкът на електрокинетичните сензори, в допълнение към невъзможността за измерване на постоянни налягания, е голяма температурна грешка.

Ще оценим разглежданите методи от гледна точка на тяхната приложимост за въздухоплавателните средства.

Предимството на електрическите методи, които са в основата на кондуктометрични, пиезорезисторни, йонизационни (електронни, газоразрядни и радиоактивни) сензори, е способността да се преобразува налягането в електрически сигнал без използването на движещи се части; Тези сензори обаче имат някои недостатъци, поради които не се използват широко в самолета: кондуктометрични и електронни сензори работят само в областта с ниско налягане, а пиезорезистивните сензори - много високи; радиоактивните сензори имат ниска чувствителност.

От електрически методи за измерване на налягането йонизационният метод има практическо приложение; Йонизационните сензори се използват на космически кораби за измерване на ниски налягания в горната атмосфера.

Електрохимичните сензори все още не са намерили практическо приложение, тъй като са неподходящи за измерване на бавно измерените налягания и освен това имат големи температурни грешки.

Електромеханичните методи - сила и пружина - са по-подходящи за измерване на налягането на въздухоплавателни средства, тъй като позволяват изграждането на сензори, работещи в широки граници - от хилядни до стотици и дори хиляди атмосфери. Най-простият е силовия метод на директното преобразуване, но неговото приложение е ограничено поради липсата на точност на елементите, които превръщат силата, развивана от чувствителен елемент, в електрически сигнал; както за пиезоелектричните преобразуватели, те са неподходящи за измерване на бавно променящите се налягания.

Методът на компенсиране на мощността е по-обещаващ от гледна точка на повишаване точността на измерване на налягането, но сензорите, конструирани по този метод, са относително сложни, което донякъде ограничава използването на този метод.

Във връзка с разработването на вградени цифрови компютри, честотният метод за измерване на налягането, който все още не е добре развит, е обещаващ.

Най-широко използваните на въздухоплавателни средства от всички класове са намерили пролетен метод, който осигурява доста точно измерване на налягането в желания диапазон. По-долу са разгледани по-подробно пружинни манометри и датчици за налягане, както и електрически дистанционни манометри.