оказаться небольшими по сравнению с изгибающими напряжениями. Для того чтобы избавиться от растягивающих деформаций, т. е. ста билизировать жесткость при изгибе, используются гофрированные мембраны. Несмотря на то что такие мембраны широко применяются в различных приборах, определение их формы и размеров по задан ной характеристике производится в большинстве случаев экспери ментально.
На рис. 91 приведены графики статических характеристик гофри рованных мембран при различных формах гофров (во всех случаях перепад давления действует на мембраны сверху вниз). Гофриро ванные мембраны чаще всего используются в виде мембранных
Рис. 91. Вид расчетных характеристик мем |
Рис. 92. |
Схема |
потенциометры- |
бран |
в |
зависимости |
от формы гофра: |
ческого |
мембранного |
датчика |
/ — плоская |
мембрана; |
2 — пильчатый гофр; |
давления типа МДДС: |
3 — трапециевидный гофр; |
4 — синусоидальный |
1 — мембранные |
коробки; |
2 — ры |
гофр; |
5 — мембрана с краевым гофром |
чажные системы; 3—потенциометры; |
|
|
|
|
4 — термокомпенсирующие |
резис |
|
|
|
|
|
торы |
|
(анероидных) коробок. Примером подобного устройства может слу жить датчик давления типа МДД (МДДС), принципиальная схема которого изображена на рис. 92. Здесь избыточное давление р х подается внутрь мембранных коробок, перемещение жестких цен тров которых с помощью рычажных систем передается движкам по тенциометрических преобразователей, включаемых в мостовую схему. Датчики предназначены для измерения давлений и перепадов не агрессивных газовых сред. Кроме упомянутых выше в сочетании как с гофрированными, так и с жесткими мембранами применяются тензо метрические и струнные преобразователи; принципиально такие датчики подобны силоизмерителям, рассматриваемым в X главе.
Обеспечение стабильности эффективной площади и жесткости упругих элементов в еще более широком диапазоне перемещений достигается при использовании неметаллических вялых (мягких) мембран в сочетании с тарированными пружинами. Неметалли ческие мембраны не воспринимают изгибающих и сжимающих уси лий и работают практически лишь на растяжение. Усилия, затрачи-
ваемые на растяжение резиновых, тефлоновых и прочих мембран, обычно пренебрежимо малы по сравнению с усилиями, необходимыми для сжатия пружины, поэтому жесткость таких систем при средних уровнях давления определяется жесткостью пружины. При измере нии малых давлений необходимо учитывать собственную жесткость мембраны и ее внутреннее трение. Для измерения высоких давлений мягкие мембраны непригодны.
С целью сохранения постоянства эффективной площади мембраны обычно снабжаются жестким центром, образованным двумя метал
лическими дисками, между ко |
|
|
|
|
|
торыми защемляется централь |
|
|
|
|
|
ная часть мембраны. Физически |
|
|
|
|
|
эффективной площадью мембра |
|
|
|
|
|
ны является часть ее поверх |
|
|
|
|
|
ности, передающая усилие от |
|
|
|
|
|
действующего давления на пру |
|
|
|
|
|
жину. |
Точные характеристики |
|
|
|
|
|
мягких мембран плохо подда |
|
|
|
|
|
ются расчету и обычно снима |
|
|
|
|
|
ются |
экспериментально. |
Для |
|
|
|
|
|
ориентировочных расчетов |
мо |
|
|
|
|
|
жет быть принято, что |
|
|
|
|
|
|
|
дэф' |
(г -I- щ)2 |
|
Рис. 93. Принципиальная схема мембран |
|
П ■ |
|
ного |
|
компенсационного дифференциаль |
где г и гц— радиусы мембраны |
|
|
ного манометра типа ДМК: |
|
1 — сердечник индуктивного датчика переме |
щения; |
2 — вялая |
мембрана; 3 — компенси |
и ее жесткого центра. |
|
рующая пружина; 4 — герметизирующий силь |
По мере прогиба мембраны ее |
фон; |
5, |
6 — рычаги; |
7 — кулачок; 8 — стре |
лочный |
указатель; |
9 — реверсивный |
двига |
эффективная |
площадь умень |
тель; |
10 — ферродинамический датчик |
угло |
шается. Для получения больших |
вого |
перемещения; |
11 — усилитель-преобра |
|
|
зователь |
|
прогибов при малых давлениях |
ами. Подобные мембраны обычно |
мягкие мембраны снабжаются i |
находят применение в конструкциях реле давления или в манометрах
ссиловой компенсацией перемещения. На рис. 93 приведена схема компенсационного дифференциального манометра типа ДМК. Здесь вялая мембрана с жестким центром подвешена на пружине к рычагу, выходящему из герметичного корпуса через сильфонное уплотне ние. При смещении мембраны под действием перепада давления пе ремещается жестко связанный с ней сердечник индуктивного датчика положения и возникает сигнал на входе усилителя. Выходной сигнал
сусилителя приводит в действие реверсивный двигатель, который вращает кулачковое устройство, возвращающее рычаг в нейтральное положение. Перемещаясь, рычаг деформирует пружину и тем самым компенсирует перемещение центра мембраны. По положению вала двигателя судят о величине перепада давления.
Приборы ДМК рассчитаны на различные стандартные перепады давления (63— 160 мм рт. ст.), при максимально допустимом стати ческом давлении 15,7-105 Па. Основная погрешность дифманометра ±1% от предела шкалы.
4. Измерители высоких давлений и разрежений
Рассмотренные в предыдущих разделах измерители давления, основанные на принципе уравновешивания сил давления известными силами (веса или упругости), позволяют измерять как разрежения, так и давления в весьма широком диапазоне (10“2— 108 Па). Для изме рения более высоких давлений или более низких разрежений больше подходят системы, основанные на использовании различных физи ческих процессов однозначно связанных с изменением давления.
Для измерения давления от 5 107 до (Зч-4)109 Па применяются датчики, в основе действия которых лежит изменение омического сопротивления некоторых проводников и полупроводников при их объемном сжатии. Если проводник с начальным сопротивлением R 0 поместить в нейтральную жидкость, то при изменении гидростати ческого давления р в этой жидкости сопротивление проводника определяется линейным выражением
R = R 0 (l + ур),
где у — коэффициент, характеризующий чувствительность сопро тивления данного проводника к изменению давления. Эксперимен тальные исследования показали, что у металлов и сплавов абсолют ное значение у невелико и имеет порядок 10“11 Па-1, причем в боль шинстве случаев у не постоянно, а уменьшается с ростом давления.
Постоянное значение у в диапазоне изменения р от 0 |
до 3 • 109 Па |
имеют лишь манганин (у ^ 2,5 10“п) и вольфрам (у |
1,3 10“ и). |
Чувствительный элемент манганинового датчика давления пред ставляет собой проволочную спираль (d = 30 мкм), намотанную на каркас из папиросной бумаги и покрытую слоем лака. Спираль с каркасом помещены в герметичный сильфон, тщательно заполнен ный пентаном. Провода выводятся при помощи конусных самоуплот няющихся выводов с изоляцией слоем слюды. Под действием давле ния среды сильфон обжимается и передает давление чувствительному элементу, сопротивление которого измеряется с помощью специаль ной мостовой схемы. Исследования проводимости полупроводников выявили их высокую чувствительность к изменению давления, однако при этом часто имеет место значительный гистерезис. По пытки использовать для подобных целей жидкости пока еще не увен чались успехом.
Для измерения малых абсолютных давлений газов могут быть использованы разнообразные явления. Известны вакуумметры, действие которых основано на изменении вязкости, теплопровод ности, степени ионизации и других свойств газа в связи с изменением его давления. В вязкостных датчиках регистрируются параметры движения твердого тела, подверженного вязкому взаимодействию с газом, давление которого измеряется. Например, оценка декре мента затухания колебаний кварцевой нити или упругой пластины оптическими методами позволяет измерять разрежения порядка 10“ 3— 10“7 мм рт. ст. При снижении давления газа увеличивается длина свободного пробега молекул. При соизмеримости длины сво-
бодного пробега с геометрическими размерами системы коэффи циент конвективной теплопередачи зависит от давления. Это явле
ние используется для |
построения датчиков давления в диапазоне |
от 10“ 3 до 10 мм рт. ст. |
[53]. |
Ионизационные датчики с накаленным катодом по устройству аналогичны трехэлектродной лампе прямого накала. Вольфрамовая нить, сетка и анод, расположенные в стеклянном или металлическом корпусе, выполняют различные функции в зависимости от схемы включения (рис. 94). Ионизированные движущимися от катода
Рис. 94. Схемы ионизационных вакуумметров с наклонным (а) и с холодным (б) катодом:
1 — катод; 2 — сетка; 3 — анод; 4 — постоянный магнит
к аноду электронами молекулы газа собираются коллектором и создают в левой цепи ток / к, пропорциональный давлению газа и величине анодного тока / а
/ к = k l ap.
Значение |
коэффициента пропорциональности k зависит от гео |
метрических |
параметров системы и рода газа |
(k *=&4 ■10" 3-ь2 |
х |
X 10“ 2 Па”1), что приводит к необходимости |
градуирования |
ва |
куумметра на газе данного состава.
При снижении давления ниже определенного предела (~ 10“4Па) возникает мягкое рентгеновское излучение из-за ударов электронов об анод. Рентгеновские лучи, в свою очередь, вызывают фотоэффект на поверхности коллектора, сопровождающийся появлением тока вторичных электронов. Снижение этого эффекта достигается путем уменьшения площади коллектора. Так, например, в одном из ва куумметров [110 ] коллектор выполнен в виде тонкой нити, а катод — в виде цилиндра, окружающего анод. При этом предел измеряемых давлений был доведен до 10”10 Па.
Ионизация молекул газа может происходить за счет а-излучения радиоактивного вещества. Датчики такого типа имеют очень малые ионные токи / к, а их чувствительность к изменению давления сильно зависит от рода газа. Лучшим типом ионизационного датчика,
