Методы измерения давления

Известны следующие основные методы измерения давления:

• весовой,
• пружинный,
• силовой,
• частотный,
• пьезорезисторный,
• термокондуктивный,
• ионизационный
• электрокинетический.

Рас­смотрим особенности этих методов.

1. Весовой метод [9]

Весовой метод основан на уравновешивании сил давления весом столба жидкости или эталонного груза. Построенные по этому методу поршневые манометры практически неприменимы на летательных аппаратах из-за больших погрешностей при на­клонах и ускорениях.

2. Пружинный метод [1], [9]

Пружинный метод основан на зависимости деформации упру­гого чувствительного элемента от приложенного давления. В манометрах деформация передается на отсчетное устройстве (рис. 6.1), а в датчиках преобразуется в электрическую величи­ну, которая и служит выходным сигналом (рис. 6.2). Область давлений, измеряемых пружинными манометрами и датчиками, лежит в пределах от нескольких мм вод. ст до сотен атмосфер.

3. Силовой метод [9]

Силовой метод основан на зависимости силы или момента сил, развиваемых неупругим или упругим чувствительным эле­ментом, от приложенного давления. По этому методу строятся две разновидности приборов и датчиков давления:

а — силовые датчики прямого преобразования (рис. 6.3), в ко­торых развиваемая чувствительным элементом сила преобразует­ся с помощью электрического преобразователя в электрическую величину; в качестве электрических преобразователей могут быть использованы угольные, полупроводниковые, пьезоэлектрические, магнитоупругие элементы [4], [7], [9], [12];

б — приборы и датчики с силовой компенсацией (рис. 6.4), в которых сила, развиваемая чувствительным элементом, урав­новешивается силой, создаваемой компенсирующим элементом[16].

В зависимости от типа компенсирующего устройства выход­ным сигналом может служить сила тока (см. рис. 6.4, а), линей­ное или угловое перемещение (см. рис. 6.4, б).

Силовой метод применим для измерения давлений в тех же пределах, что и пружинный метод.

4. Частотный метод [2], [5]

Частотный метод основан на зависимости частоты собствен­ных колебаний тонкостенного цилиндрического резонатора от разности давлений, действующих на его внутреннюю и внешнюю поверхности. Датчики, построенные по этому методу (рис. 6.5), называются вибрационными датчиками давления (ВДД).

С помощью электронной схемы периодически возбуждаются собственные колебания резонатора или он постоянно находится в автоколебательном режиме. Выходным сигналом ВДД может служить частота электрических импульсов, что позволяет исполь­зовать ВДД в системах с цифровыми вычислительными маши­нами.

5. Пьезорезисторный метод [9]

Пьезорезисторный метод основан на зависимости электриче­ского сопротивления проводника или полупроводника от величи­ны воздействующего на него давления. На рис. 6.6, а изображена схема пьезорезисторного датчика давления, чувствительным элементом которого является манганиновая проволока диаметром 0,03—0,05 мм.

При подаче давления в 1000 кГ/см² сопротивле­ние изменяется всего на 0,2%. Поэтому резисторные датчики с чувствительным проволочным элементом применимы для измере­ния очень высоких давлений (десятки тысяч атмосфер). Чувствительные полупроводниковые элементы (ферриты, керамиче­ские пьезоэлектрики и др.) обладают более высокой чувстви­тельностью, чем проволочные, но их характеристики нестабиль­ны и существенно зависят от температуры [4], [12].

6. Термокондуктивный метод [6], [10]

Термокондуктивный метод основан на зависимости теплопро­водности газа от его абсолютного давления (при малых абсолют­ных давлениях). При протекании по проволоке (см. рис. 6.6,6) электрического тока, сила которого поддерживается постоянной, температура нагрева проволоки будет зависеть от теплопровод­ности окружающего газа, которая линейно изменяется в зависи­мости от давления в области малых давлений. Температуру про­волоки можно измерять с помощью приваренной к ней термопа­ры, если же применить материал с большим температурным ко­эффициентом, то о температуре нагрева можно судить по изме­нению сопротивления проволоки. Чувствительность термокондуктивных датчиков зависит от состава газа.

Область применения термокондуктивного метода измерения давления ограничена пределами 10ч-10~³ мм рт. ст.

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

Ионизационный метод основан на зависимости степени иони­зации газа от давления. В зависимости от типа датчика иониза­ция газа создается за счет электронной эмиссии или радиоак­тивным излучением. Электронный датчик представляет собой трехэлектродную электронную лампу с накаливаемым катодом, внутрь которой подается измеряемое давление р (см. рис. 6.6, в). При наличии разности потенциалов между анодом и катодом, превышающей ионизационный потенциал газа, молекулы газа ионизируются электронами, летящими от катода к аноду. При этом на отрицательно заряженной сетке образуются положитель­ные ионы и создается сеточный ионизационный ток, величина которого при р =10^{-3 мм рт. ст.} пропорциональна абсолютному давлению, если анодный ток постоянен. Выходной величиной дат­чика служит ионизационный ток.

Область применения электронного датчика — от 10^-3 до 10^{-3 мм рт, ст.,} величина сеточного тока при этом составляет 10^-4 10^-7 а.

Разновидностью ионизационных манометров является маг­нитный электроразрядный манометр, отличающийся от рассмот­ренного выше отсутствием накала катода. Молекулы газа, дав­ление которого измеряется, ионизируются свободными электро­нами, которые движутся с большой скоростью от катода к ано­ду, под влиянием высокого анодного напряжения от сотен до нескольких тысяч вольт. Для увеличения длины свободного про­бега электронов (с целью повышения вероятности их столкнове­ния с молекулами газа) между катодом и анодом создается маг­нитное поле, искривляющее траекторию движения электронов, которые движутся при этом по спирали. Сила тока газового раз­ряда имеет сравнительно большую величину — сотни микроам­пер, и может быть измерена без предварительного усиления. Пределы измерения магнитных газоразрядных манометров 10^-6 1 мм рт. ст.

Радиоактивный датчик давления отличается от электронного тем, что ионизация молекул газа создается под воздействием - частиц (положительно заряженных ядер гелия), образующихся при распаде радиоактивного вещества с достаточно большим периодом полураспада. В качестве источников излучения исполь­зуются препараты радия, полоний-210, плутоний-239. Слой ве­щества нанесен на один из двух электродов, помещенных внутрь камеры, в которую подается измеряемое давление (см. рис. 6.6, г). Последовательно с электродами включено сопротив­ление и подведено напряжение и. Выходной величиной служит ионизационный ток I или падение напряжения, создаваемое этим током на сопротивлении R. Это напряжение можно уси­лить с помощью усилителя с высоким входным сопротивлением. Недостатком радиоактивных датчиков является малая вели­чина ионизационного тока (10^-9 10^-16 а), вследствие чего к изоляции электродов и входной цепи усилителя предъявляются вы­сокие требования. В частности, во входном каскаде усилителя необходимо применять электрометрическую лампу. Давления, измеряемые радиоактивными датчиками, лежат в пределах 10^-3 10³ мм рт. ст.

8. Электрокинетический метод [14]

Электрокинетический метод основан на возникновении элек­трокинетического потенциала полярной жидкости при ее перете­кании через пористую диафрагму. Построенный по этому мето­ду датчик давления (рис. 6.7), содержит диафрагму из кера­мики, помещенную внутрь цилин­дрического объема, ограничен­ного двумя мембранами и запол­ненного полярной жидкостью (на­пример, раствором йодистого ка­лия с небольшой добавкой йода, отрицательные ионы которого яв­ляются носителями зарядов). При воздействии на мембраны разности давлений часть жидко­сти перетекает сквозь диафрагму, причем образуется разность по­тенциалов, снимаемая двумя платиновыми электродами, поме­щенными по обе стороны диафрагмы. Электрокинетические дат­чики применимы для измерения переменных давлений, так как при постоянном давлении перетекание жидкости через диа­фрагму с течением времени прекращается. Частотный диапазон измеряемого давления может быть от десятых долей до несколь­ких сотен герц, диапазон измеряемых давлений — от тысячных долей до десятков атмосфер. Недостатком электрокинетических датчиков, помимо невозможности измерения постоянных давле­ний, является большая температурная погрешность.

Оценим рассмотренные методы с точки зрения их применимости на летательных аппаратах.

Достоинством электрических методов, лежащих в основе кондуктометрических, пьезорезисторных, ионизационных (электрон­ных, газоразрядных и радиоактивных) датчиков, является воз­можность преобразования давления в электрический сигнал без применения подвижных частей; однако этим датчикам присущи определенные недостатки, из-за которых они не находят широ­кого применения на летательных аппаратах: кондуктометрический и электронный датчики действуют лишь в области низких давлений, а пьезорезисторные — очень высоких; радиоактивные датчики обладают малой чувствительностью.

Из электрических методов измерения давления практическое применение имеет ионизационный метод; ионизационные датчи­ки используются на космических летательных аппаратах для из­мерения малых давлений верхних слоев атмосферы.

Электрохимические датчики пока не находят практического применения, так как они непригодны для измерения медленно измеряющихся давлений и, кроме того, имеют большие темпера­турные погрешности.

Электромеханические методы — силовой и пружинный — бо­лее пригодны для измерения давления на летательных аппара­тах, так как позволяют строить датчики, действующие в широ­ких пределах — от тысячных долей до сотен и даже тысяч ат­мосфер. Наиболее прост силовой метод прямого преобразования, но его применение ограничено из-за недостаточной точности эле­ментов, преобразующих развиваемое чувствительным элементом усилие в электрический сигнал; что касается пьезоэлектрических преобразователей, то они непригодны для измерения медленно изменяющихся давлений.

Метод силовой компенсации более перспективен с точки зре­ния повышения точности измерения давления, но датчики, по­строенные по этому методу, сравнительно сложны, что несколько ограничивает применение данного метода.

В связи с развитием бортовых цифровых вычислительных ма­шин перспективным является частотный метод измерения давле­ния, который пока еще недостаточно проработан.

Наиболее широкое применение на летательных аппаратах всех классов нашел пружинный метод, обеспечивающий достаточно точное измерение давления в нужном диапазоне. Ниже рассмат­риваются более подробно пружинные манометры и датчики дав­ления, а также электрические дистанционные манометры.