Пьезоэлектрический метод

В основе лежит прямой пьезоэлектрический эффект, при котором пьезоэлемент генерирует электрический сигнал, пропорциональный действующей на него силе или давлению. Пьезоэлектрические датчики используются для измерения быстроменяющихся акустических и импульсных давлений, обладают широкими динамическими и частотными диапазонами, имеют малую массу и габариты, высокую надежность и могут использоваться в жестких условиях эксплуатации.

9. Как устроены измерители давления с дистанционными передачами?

К приборам с дистанционной передачей показаний относятся приборы, в которых используются изменения тех или иных электрических свойств вещества (электрического сопротивления проводников, электрической емкости, возникновение электрических зарядов на поверхности кристаллических минералов и др.) под действием измеряемого давления. К таким приборам относятся манганиновые манометры сопротивления, пьезоэлектрические манометры с применением кристаллов кварца, турмалина или сегнетовой соли, емкостные манометры, ионизационные манометры и др.

Высокими метрологическими характеристиками обладают интеллектуальные манометры с емкостными преобразователями, выпускаемыми фирмами Fischer-Rosemount, Philips и др. Схема микро-процессорного преобразователя давления модели 1151 (фирма Fischer-Rosemount) представлена на рис. 1. Измеряемое давление или разность давлений воздействуют на разделительные мембраны 1, между которыми в полости, заполненной нейтральной жидкостью, находится чувствительная мембрана 2, являющаяся подвижной обкладкой дифференциальных конденсаторов, неподвижными обкладками которых служат стенки камер 3, 4.

Рис. 1. Манометр с емкостным преобразователем:

1—разделительные мембраны; 2 — чувствительная мембрана; 4 _ неподвижные обкладки конденсаторов

Эти преобразователи имеют на выходе токовый сигнал 4...20 мА, экономичный сигнал по напряжению 0,8...3,2 и 1...5 В, HART-протокол. У дифманометров преобразование может быть линейным и квадратичным, прибор может иметь цифровой индикатор.

Преобразователи измеряют абсолютное давление от 6,22 до 6895 кПа, избыточное давление от 0,49 до 4136 кПа, разность давлений от 0,49 до 6895 кПа, гидростатическое давление от 6,2 до 689,5 кПа. Предел основной допускаемой приведенной погрешности составляет ± 0,1; ± 0,2; ± 0,25 %.

Для измерения высоких давлений в диапазоне 250... 1600 МПа применяются манометры сопротивления манганиновые, в которых чувствительным элементом является катушка из манганиновой проволоки. Сопротивление катушки меняется под воздействием измеряемого давления, коэффициент изменения сопротивления составляет 2,4-10-11 1/Па. Предельная погрешность манометров не превышает 1 %.

10. Как устроены и по какому принципу работают манометры с упругими чувс­тви­тельными элементами?

В зависимости от принципа, используемого для преобразования силового воздействия на чувствительный элемент в показания или пропорциональные изменения другой физической величины, средства измерения давления разделяются на: жидкостные, деформационные, грузопоршневые, электрические.

В жидкостных манометрах измеряемое давление или разность давлений уравновешивается давлением столба жидкости. В при­борах используют принцип сообщающихся сосудов, в которых уровни рабочей жидкости совпадают при равенстве давлений над ними, а при неравенстве занимают такое положение, когда избыточное давление в одном из сосудов уравновешивается гидростатическим давлением столба жидкости в другом.

Деформационные датчики давления. Действие основано на измерении величины деформации различных видов упругих элементов: пружин, сильфонов, мембран и др. Принцип действия: деформация упругого элемента преобразуется передаточным механизмом в угловое или линейное перемещение указателя по шкале прибора. Достоинствами являются: надежность, простота устройства, большой предел измерения, возможность применения дистанционной передачи. В соответствии с использу­емым чувствительным элементом деформационные манометры подразделяют на трубчато-пружинные, сильфонные и мембранные.

Мембранные приборы. Принцип действия: деформация эластичных упругих мембран преобразуется передаточными механизмами в угловое или линейное перемещение указателя по шкале прибора.

К электрическим приборам для измерения давления относятся манометры с тензопреобразователями, емкостные преобразователи и пьезоэлектрические. Чувствительным элементом манометров с тензопреобразователями является мембрана, на которой размещены проволочные, фольговые или полупроводниковые резисторы. При деформации мемб­раны под действием контролируемого давления сопротивление резисторов меняется. Принцип действия пьезоэлектрических ма­нометров основан на пьезоэлектрическом эффекте, сущность которого заключается в возникновении электрических зарядов на поверхности сжатой кварцевой пластины, вырезанной перпен­дикулярно к электрической оси кристаллов кварца. Емкостные преобразователи. Емкостный преобразователь представляет собой конденсатор, электрические параметры которого изменяются под действием входной величины. Конденсатор состоит из двух электродов, к которым подсоединены выводные концы. Пространство между электродами заполнено диэлектриком. При изменении взаимного положения электродов или при изменении диэлектрической проницаемости среды, заполняющей межэлектродное пространство, изменяется емкость конденсатора. Различают ёмкостные преобразователи с изменяющейся величиной зазор, с изменяющейся площадью, с изменяющейся диэлектрической проницаемостью.

Тензорезистивный преобразователь. Тензорезистивный датчик конструктивно состоит из специального упругого основания с закреплённым на нем тензорезистором и другими конструктивными элементами. Принцип работы тензодатчика заключается в том, что электрическое сопротивление тензорезистора пропорционально уровню его деформации под влиянием силы, приложенной к конструкции. Изменения сопротивления тензорезистора очень незначительны, поэтому для усиления и преобразования его сигналов в конструкциях тензодатчиков применяются электронные усилители или аналого-цифровые преобразователи.

В грузопоршневых манометрах из­меряемое давление уравновешивается силой тяжести неуплотненного поршня с грузами.

11. Какие имеются разновидности пружин Бурдона?

Пружина Бурдона (манометрическая трубка, трубчатая пружина) — упругая криволинейная металличе­ская полая трубка, один из концов которой имеет возможность перемещаться, а другой — жестко закреплен. Трубчатые пружины используются в основном для преобразования измеряемого давления, поданного во внутреннее пространство пружины, в пропорцио­нальное перемещение ее свободного конца. Наиболее распростра­нена одновитковая трубчатая пружина, представляющая собой изо­гнутую по дуге окружности трубку с обычно овальным поперечным сечением

Винтовая n-витковая трубчатая пружина.

Для измерения высоких давлений до 1000 МПа используют кри­волинейные и прямолинейные трубчатые пружины. Форма сечения прямолинейной трубчатой пружины показана на рисунке. Пере­мещение свободного конца пружины происходит не из-за измене­ния поперечного сечения, а благодаря изгибающему моменту.

Чувствительные элементы типа витой труб­чатой пружины овального или звездчатого сечения

12. Какие приняты температурные шкалы и единицы измерения температуры?

Существует 5 наиболее известных температурных шкал: стоградусная, или шкала Цельсия (ºC- Градус Цельсия ), Фаренгейта (ºF Градус Фаренгейта ), абсолютная, или шкала Кельвина (K Кельвин ), шкала Реомюра (ºR Градус Реомюра ) и шкала Ранкина (ºRa Градус Ранкина ).

В настоящее время применяется Междуна­родная практическая температурная шкала (МПТШ) редакции 1968 г. Согласно МПТШ-68 основной температурой является термодина­мическая температура Т, единица которой кельвин (К) — 1/273,16 часть термодинамической температуры равновесия между твердой, жидкой и газообразной фазами воды (тройная точка воды). Температура Цельсия t опреде­ляется из выражения t=T-T₀, где Т₀=273,15 К.

Единица, применяемая для выражения температуры Цельсия, - градус Цельсия(°С), равный кельвину. Разность температур выражают как в Кельвинах, так и в градусах Цельсия. МПТШ-68 выбрана таким образом, чтобы температура, измеренная по этой шкале, была близка к термодинамической температуре с точностью, обеспечиваемой со­временными средствами измерений.

13. Реперная точка

Реперные точки — точки, на которых основывается шкала измерений.

На реперных точках построена Международная практическая температурная шкала. Реперные точки на шкале Цельсия — температура замерзания (0°С) и кипения воды (100°С) на уровне моря.

В термометрии - первичные воспроизводимые температурные точки, каждой из которых присвоена определенная температура.

14. Дилатометрические термометры

В дилатометрических и биметаллических термометрах в качестве рабочего тела используются твердые материалы. Их принцип действия основан на изменении размеров твердого тела в зависимости от изменения температуры в ограниченном температурном диапазоне, в котором сохраняется линейная зависимость удлинения рабочего тела от температуры

Дилатометрического термометра

При измерении температуры нижняя часть термометра полностью погружается в измеряемую среду. При повышении температуры среды трубка удлиняется больше, чем стержень, вследствие чего стержень перемешается вниз. При перемещении стержня одновременно перемешается вниз и основной рычаг, который своим свободным концом устанавливает стрелку прибора в место шкалы, соответствующее измеряемой температуре.

Дилатометрические термометры обладают рядом достоинств (простота устройства, высокая чувствительность), однако для непосредственного измерения температуры используются редко. В основном они находят применение в качестве первичных измерительных преобразователей в системах автоматического регулирования температуры.

Схема дилатометрического термометра

Биметаллический термометр

В качестве чувствительного элемента в биметаллических термометрах используется пластина из двух полос различных металлов, сваренных по всей длине. Поскольку коэффициент линейного термического расширения для этих металлов различен, то при нагревании пластины происходит ее изгиб в направлении металла с меньшим коэффициентом расширения. При этом изгиб пластины может быть преобразован в перемещение указательной стрелки или в перемещение электрических нормально открытых (закрытых) контактов. Наиболее часто применяемыми металлами в биметаллических термометрах являются инвар-сталь или инвар-латунь.

Схема биметаллического датчика температуры

15. Термометры сопротивления (ТС).

Термометр сопротивления это термометр, как правило, в металлическом или керамическом корпусе, чувствительный элемент которого представляет собой резистор, выполненный из металлической проволоки или пленки и имеющий известную зависимость электрического сопротивления от температуры. Самый популярный тип термометра – платиновый ТС, это объясняется высоким температурным коэффициентом платины, ее устойчивостью к окислению и хорошей технологичностью. В качестве рабочих средств измерений применяются также медные и никелевые термометры.

Принцип работы термометров сопротивления основан на использовании зависимости электрического сопротивления веществ от их температуры. Если для материала, из которого изготовлен термометр, известна эта зависимость, то по электрическому сопротивлению тела можно определить его температуру. Для измерения температуры прибор должен иметь тепловоспринимающий элемент (датчик), которым является термометр сопротивления, и вторичный прибор, измеряющий электрическое сопротивление датчика. Нагрев датчика приводит к росту его электрического сопротивления, что фиксируется на приборе, шкала которого может быть градуирована в градусах Цельсия.

Главное преимущество термометров сопротивления – широкий диапазон температур, высокая стабильность, близость характеристики к линейной зависимости, высокая взаимозаменяемость. Недостаток термометров и чувствительных элементов сопротивления – необходимость использования для точных измерений трех- или четырех- проводной схемы включения, т.к. при подключении датчика с помощью двух проводов, их сопротивление включается измеренное сопротивление термометра.

19. Термометр жидкостный

 Жидкостный термометр - прибор для измерения температуры, принцип действия которого основан на тепловом расширении жидкости. Представляет собой прозрачный стеклянный (редко кварцевый) резервуар с припаянным к нему капилляром (из того же материала), и нанесенной на толстостенный капилляр или жестко закрепленную пластину измерительной шкалой. Применяются для измерения температур в области от -200°С до +750°С

Принцип действия

Принцип действия стеклянных жидкостных термометров основан на тепловом расширении термометрической жидкости, заключенной в термометре. При этом, очевидно, показания жидкостного термометра зависят не только от изменения объема термометрической жидкости, но также и от изменения объема стеклянного резервуара, в котором находится эта жидкость. Таким образом, наблюдаемое (видимое) изменение объема жидкости преуменьшено на размер, соответственно равный увеличению объема резервуара (и частично капилляра). Для заполнения жидкостных термометров применяют ртуть, толуол, этиловый спирт, керосин, петролейный эфир, пентан и т. д.

Классификация

Термометры стеклянные жидкостные по назначению и области применения могут быть разделены на следующие группы:

§ образцовые;

§ лабораторные и специального назначения (ГОСТ 215-57, ГОСТ 13646-68 и ГОСТ 5.1851-73);

§ технические (ГОСТ 2823-73);

§ метеорологические;

§ термометры для сельского хозяйства;

§ термометры бытовые.

Стеклянные жидкостные термометры, применяемые в технике, бывают следующих разновидностей:

§ Термометры, применяющиеся без введения поправок к их показаниям (термометры широкого применения):

§ ртутные термометры (от —35 до +600°С);

§ жидкостные термометры с органическим наполнителем (от —185 до +300°С).

§ Термометры, к показаниям которых вводятся поправки согласно свидетельству:

§ ртутные термометры повышенной точности (от —35 до +600°С);

§ ртутные термометры для точных измерений (от 0 до 500°С);

§ жидкостные термометры с органическим наполнителем (от —80 до +100°С).

В качестве образцовых применяются следующие термометры:

§ ртутные равноделенные 1-го разряда с диапазоном измерений 0—600°С;

§ ртутные переменного наполнения 2-го разряда с диапазоном измерений 0—150°С;

§ ртутные 2-го разряда с диапазоном измерений 0—600°С;

§ ртутные 3-го разряда с диапазоном измерений 0—600°С.

В зависимости от конструктивных форм различают 2 основных типа конструкция жидкостных термометров:

§ палочные

§ со вложенной шкалой.

Палочные термометры имеют массивный (толстостенный) капилляр с внешним диаметром 6—8 мм, почти равным диаметру резервуара. Шкала у этих термометров наносится непосредственно на внешней поверхности капилляра.

Термометры со вложенной шкалой обладают большей инерционностью, чем палочные, но они более удобны для наблюдения при измерении температур в лабораторных и производственных условиях.

Ртутный жидкостный термометр

Из жидкостных термометров наибольшее распространение получили ртутные. Они обладают рядом преимуществ благодаря существенным достоинствам ртути, которая не смачивает стекла, сравнительно легко получается в химически чистом виде и при нормальном атмосферном давлении остается жидкой в широком интервале температур (от —38,87 до +356,58° С). Следует также отметить, что давление насыщенных паров ртути при температуре, превышающей 356,58° С, невелико по сравнению с давлениемнасыщенных паров других жидкостей. Это дает возможность относительно небольшим увеличением давления над ртутью в капилляре заметно повысить ее температуру кипения, а вместе с тем и расширить температурный интервал применения ртутных термометров.

К числу недостатков ртути с точки зрения термометрии следует отнести сравнительно малый коэффициент расширения. При измерении температуры термометрами, заполненными органическими жидкостями, необходимо иметь в виду, что они смачивают стекло, а вследствие этого понижается точность отсчета показаний.

20. Пирометр

Пирометр — прибор для бесконтактного измерения температуры тел. Принцип действия основан на измерении мощности теплового излучения объекта измерения преимущественно в диапазонах инфракрасного излучения и видимого света.