Деформационные манометры
Деформационные манометры
В деформационных манометрах мерой давления служит упругая деформация чувствительного элемента (спиральная трубка, мембрана) под действием приложенной к нему разности давлений. Эту деформацию можно связать с градуированным указателем и, таким образом, сделать возможным отсчет давления по шкале. Современные деформационные манометры различаются нс только по типу упругого элемента, но и по способу измерения деформаций.
Устройство простейшего трубчатого манометра (манометр Бурдона) показано на рис. III.9. В качестве чувствительного элемента здесь используется изогнутая по дуге окружности сплющенная трубка 1. Один конец трубки запаян, а другой с помощью штуцера 2 присоединяется к вакуумной системе. Под действием разности давлений (атмосферного ра и измеряемого р) конец трубки 1 смещается и, будучи связан системой рычагов с зубчатым сектором 3, приводит во вращение стрелку-указатель 4.
При линейной градуировке прибора угол поворота стрелки ф пропорционален разности давлений (ра—Р). Следовательно, давление в вакуумной системе, к которой присоединен манометр, можно определить из равенства
Из выражения (III.8) видно, что для определения абсолютного давления трубчатым деформационным манометром необходимо одновременно измерять независимым путем атмосферное давление. Нижний предел измеряемых давлений для этих манометров обычно начинается от нескольких десятков миллиметров ртутного столба.
Более чувствительны по сравнению с трубчатыми мембранные манометры. Здесь в качестве упругого эле-
мента используется плоская или гофрированная металлическая мембрана (рис. III.10), которая при создании перепада давлений (ра—р) внутри мано-
метра прогибается и через систему рычагов приводит в движение стрелку-указатель. Чувствительность мембранного манометра можно повысить, если использовать коробочку (рис. III.11). В таком изготовлении нижний предел измеряемых давлений, для мембранных манометров удается понизить до 1 мм рт. ст.
Кроме металлических, иногда применяют более чувствительные мембраны (стеклянные, кварцевые, резиновые), позволяющие несколько расширить нижний предел измеряемых давлений. На рис. 111.12 показан манометр со стеклянной мембранной коробочкой, наполненной ртутью, и припаянным к ней капилляром. Давление в таком приборе определяют по изменению уровня ртутного столбика в капилляре.
Абсолютное значение давления описанными выше мембранными приборами определяют, как и трубчатыми деформационными манометрами, по формуле (III.8). Однако мембранными манометрами можно непосредственно измерить абсолютное давление в вакуумной системе, если с другой стороны мембраны обеспечить постоянное разрежение (сравнительное давление) на у ров не ро 10-4 мм рт. ст. Тогда прогиб мембраны определяется разностью давлений (р — р0, где р — измеряемая величина давления), и показания такого манометра не будут зависеть от атмосферного давления. Поскольку давление гораздо меньше предельно измеряемого р (~0,1 мм рт. ст.), то им можно пренебречь и шкалу указателя градуировать на величины абсолютных давлений.
За отклонением мембраны можно следить не только с помощью стрелочных устройств. В чувствительных манометрах для этого широко используются электрические методы. Один из’них заключается в определении электрической емкости между мембраной и вспомогательным неподвижным электродом, а второй — в измерении индуктивности неподвижной катушки, в которую вдвигается железный сердечник, связанный с мембраной.
Однако более широко распространены те приборы, в которых использован так называемый нулевой метод измерения давления, связанный с применением стабилизации положения мембраны. Сущность его состоит в том, что прогиб мембраны, полученный в результате разрежения, компенсируется механическим или электрическим воздействием, приводящим ее в исходное положение. Таким образом, в этом методе назначение упругого элемента сводится к функции индикатора равенства сил, действующих на него с обеих сторон, а величина компенсирующей силы является мерой измеряемого давления.
Схематическое устройство камеры компенсационного мембранного манометра показано на рис. III.13. Чувствительным элементом прибора служит металлическая диафрагма 3, расположенная над изолированным плоским электродом 4 и отделяющая камеру 1 (измеритель-где /?м — некоторый эффективный радиус мембраны.
Эту силу можно компенсировать механически, связав сравнительную камеру 2 манометра со вспомогательной вакуумной установкой, как показано на рис. II 1.14, давление в которой можно регулировать с помощью натекания 7.
Отсутствие перепада давлений в сравнительной и измерительной камерах манометра, оцениваемое по измерению емкости па промежутке мембрана 3 — неподвижный электрод 4 емкостным мостом 6, позволяет косвенно измерить давление в откачиваемом объеме 1 жидкостным манометром 8.
ную) от камеры 2 (сравнительной). Камера 1 соединена с объемом, давление в котором необходимо измерить, а в камере 2 поддерживается достаточно низкое сравнительное давление pQ. Под действием существующей между камерами разности давлений кр=р — Ро мембрана прогибается, и сила Рр, которая действует на нее, может быть записана выражением
В другой разновидности этого метода силу Fp компенсируют действием электростатических сил Fd> приложенных извне между мембраной 3 и электродом 4.
Для плоской системы
где We — энергия электрического поля;
х — расстояние между мембраной и изолированным электродом.
Выражение (ШЛО) можно переписать в виде
Поскольку обычно то измеряемое давление р для данного метода измерения пропорционально квадрату постоянного напряжения, приложенного для компенсации прогиба мембраны.
Принципиальная схема измерения по второму методу показана на рис. Ш.15. Датчик этого манометра, в отличие от показанного на рис. III.13, имеет два изолированных электрода 2 и 3, каждый из которых образует с мембраной 1 емкости С2 и С3. Это вызвано необходимостью разделить цепи переменного (для измерения емкости С3) и постоянного напряжения (для компенсации сил давления), чтобы исключить их взаимное влияние.
Если сила Fp, вызвавшая прогиб мембраны 3, равна выравнивающей электрической силе тогда из (III.9) и (111.11) получаем
или
С помощью вакуумных кранов 4 и 5 измерительная камера прибора может быть присоединена к откачиваемому объему или связана со сравнительной камерой (кран 4 закрыт, кран 5 открыт), которая все время откачивается до возможно низкого давления. В последнем случае (в обеих камерах нет перепада давлений и отсутствует разность потенциалов между мембраной 1 и электродом 2) емкость С3 измеряют путем уравновешивания моста переменного тока, после чего кран 5 закрывают, а край 4 открывают. Если давление в измерительной камере превышает давление в сравнительной камере, то мембрана прогибается в направлении к электроду 3. При этом емкость С3 увеличивается и равновесие емкостного моста нарушится. Прикладывая внешнюю разность потенциалов между мембраной 1 и электродом 2, силами электрического поля мембрану возвращают в исходное положение, и мост снова уравновешивается. В этом положении измеряют компенсирующую разность потенциалов V и по формуле (111.13) оценивают давление р.
Анализ погрешностей мембранно-емкостного манометра показывает, что они не превышают 0,5—1,5% в диапазоне давлений от 5-10-1 до 10-3 мм рт. ст. Верхний предел измеряемых давлений по этому методу ограничивается величиной пробивного напряжения между об
кладками конденсатора С2, а нижний — механическими характеристиками мембраны и порогом чувствительности емкостного моста.