Ultimate magazine theme for WordPress.

Деформационные манометры

0

Деформационные манометры

Ртуть, применяемая в компрессионных манометрах (ГОСТ 4658—49), должна быть максимально чистой, для чего она подвергается химической и электролитической очистке и вакуумной перегонке в специальных условиях.

Химическая очистка ртути состоит из следующих операций:

1) трехкратного фильтрования через воронку с бумажным фильтром и замшей;

2) трехкратного пропускания через 20-процентный раствор едкого натра;

3) промывки в дистиллированной воде;

4) пропускания через раствор 10-процентной азотной кислоты;

5) промывки в дистиллированной воде.

Электролитическая очистка ртути производится в течение 12 ч пропусканием через нее постоянного электрического тока при непрерывном перемешивании ртути, на поверхность которой заливается 10-процентный раствор азотной кислоты. После этого ртуть подвергается окончательной очистке путем перегонки в вакуумном аппарате. Ртуть следует хранить в стеклянных банках с притертыми пробками, в специальном шкафу с вытяжкой воздуха.

определить по длине и массе капли ртути, введенной в капилляр:

где у — начальный угол до деформации (рис. 2. 12, б); ц — коэффициент Пуассона для материала трубки; Q — радиус кривизны трубки; h — толщина стенки; а — большая полуось эллипса; b — малая полуось эллипса; х — ; с, d — коэффициенты,

зависящие от отношения полуосей эллипса а и ft, определяемые из таблицы.


а ~Ь~ 1 2 4 8 00
С 0,083 0,053 0,044 0,042 0,042
d 0,750 0,566 0,452 0,400 0,368

Трубку в деформационных манометрах для увеличения чувствительности выгодно делать тонкостенной с максимально большим отношением полуосей эллипса -у.

Точность измерения этих приборов ограничивается величиной упругого последействия трубки. Явление упругого последействия состоит в том, что после прекращения действия нагрузки конец трубки не возвращается мгновенно к исходному положению. Упругое последействие исчезает со временем, но для этого часто требуются минуты и даже часы. Номинальная погрешность таких приборов равна от 0,5 до 5%.

Наружное давление спиральной трубки манометра обычно равно атмосферному, и шкала прибора градуируется в единицах вакуума, т. е. атмосферному давлению соответствует нулевое показание прибора.

Пределы измерения вакуума этими манометрами — от 0 до 760 мм рт. ст. Для определения абсолютного давления Р необходимо одновременно измерить другим прибором (барометром) атмосферное давление Ратм и вычесть из него показания манометра Рм:

Другой тип деформационного манометра, называемый мембранным, показан на рис. 2. 13. Здесь в качестве упругого элемента используется мембрана М, герметично отделяющая вакуумную систему от объема, в котором поддерживается постоянное сравнительное давление. Величину этого давления обычно выбирают на два-три порядка ниже чувствительности манометра, что позволяет считать ее равной нулю; в этом случае мембранный манометр измеряет абсолютное давление. Теория мембранного манометра основана на выводах теории упругости о деформации круглой пластины с защемленными либо шарнирноопертыми концами под действием равномерно распределенной силы.

На рис. 2. 14 показана форма упругой линии жесткой тонкой мембраны под действием разности давлений. По оси абсцисс дано отношение -С-, где г — текущий, а R — максимальный радиус К

мембраны, по оси ординат — отношение прогиба у, соответствующего радиусу г, к максимальному прогибу у0 при г = 0.

В случае малых прогибов у0, сравнимых с толщиной мембраны h, при защемленных концах жесткой мембраны уравнение упругой линии для прогиба у будет иметь вид где у — прогиб мембраны на расстоянии г от центра мембраны в см, Р — разность давлений, действующая на мембрану, в кГсм2,

Это уравнение позволяет подсчитать разность давлений Р, соответствующую прогибу у0 в см. Для стали при т = 4, Е = = 2,1-10® кПсм2 и размерах мембраны R и h в см



Для определения величины максимального прогиба мембраны у0 можно применять механические и электрические методы регистрации перемещений. В настоящее время наибольшее распространение получил емкостный метод определения перемещений мембраны. На рис. 2. 13 изображена схема мембранного манометра, в котором мембрана М и электрод А являются обкладками плоского конденсатора. Емкость плоского конденсатора в вакууме равна

где d — расстояние между обкладками конденсатора в см; г — радиус обкладок конденсатора в см.



Емкость элементарного конденсатора, образованного двумя кольцами радиуса г и шириной dr, расположенными на расстоянии d одно от другого,

На основании формул (2. 25), (2. 26) и (2. 28) емкость С конденсатора, образованного плоским электродом и мембраной, имеющей прогиб у0, можно представить в виде формулы

В знаменателе подынтегрального выражения {z. zv) знак плюс соответствует движению мембраны от электрода, а минус — движению мембраны к электроду.

Интеграл (2. 29) дает следующую зависимость емкости С от максимального прогиба мембраны уд:

Изменение емкости конденсатора С — Со, соответствующее прогибу у0, отнесенное к емкости плоского конденсатора радиуса R с зазором d0, является важной характеристикой конструкции мембранного манометра и называется относительным емкостным сигналом S.

или на основании формулы (2: 30)







Величина относительной чувствительности К манометра определяется как отношение производной от емкости манометра по давлению к полной емкости манометра:

где — емкость соединительных проводов.

Из уравнений (2. 26) и (2. 32) видно, что относительный емкостный сигнал S, входящий в выражение для относительной чувствительности К, нелинейно зависит от давления, т. е. градуировочная характеристика манометра также должна быть нелинейна.

Для S <0,03 в формуле (2. 32) можно ограничиться только первым членом. Тогда К не зависит от давления, и манометр будет иметь линейную градуировочную характеристику. Из формул (2. 26), (2. 32) и (2. 34) получим




При S <0,03 ошибка в расчете чувствительности и нелиней-ность характеристики манометра составят при 0,7 не бо-лее 10% для случая удаления мембраны от электрода и 15% для случая приближения мембраны к электроду.

Зависимость чувствительности мембранного емкостного манометра от его конструктивных размеров и давления подробно рассмотрена в работе 15.

Диапазон измеряемых разностей давления у мембранных емкостных манометров обычно не превышает двух порядков.

Правильный выбор размеров мембраны манометра для средней измеряемой разности давлений Рср может быть сделан из условия получения максимальной относительной чувствительности К при сохранении линейности градуировочной характеристики. Если считать допустимыми отклонения от линейности в пределах ± 10-г-15% при измерении давлений вплоть до 10Рср, то относительный емкостный сигнал S, как уже было указано, должен быть меньше

0,03. В этом случае по известным величинам В, R, d0, Рср и Е, соответствующим выбранным размерам, материалу и режиму работы манометра, можно подсчитать, согласно формулам (2. 26) и (2. 32), требуемую толщину мембраны h:

Верхний предел измерения мембранных манометров ограничивается нелинейностью их характеристик и пределом упругости материала мембраны. Одной из причин нелинейности характеристики является непараллельность мембраны и электрода манометра. Нижний предел измерения определяется значением чувствительности мембранного манометра. Снижение чувствительности манометра вызывается механическим гистерезисом упругих свойств материала мембраны. Кроме этого, снижение чувствительности объясняется шумовым эффектом, заключающимся в возникновении фонового тока в измерительной цепи из-за непрерывных или периодических колебаний упругой перегородки под действием, например, работающего вращательного насоса или резкого изменения давления в вакуумной системе. Величина фонового тока, обусловленная шумовым эффектом и измеренная в манометре с радиусом мембраны R = 3,5 см, зазором d0 = 0,01 см и толщиной гофрированной мембраны h = 0,0025 см, соответствовала давлению 1-103 мм рт. ст.

Наиболее важной причиной, ограничивающей чувствительность манометра, являются температурные деформации, затрудняющие измерение малых перемещений в манометре, а следовательно, снижающие стабильность нулевых показаний прибора. Роль температурного эффекта сводится к изменению размеров манометра, регистрируемому как ложное изменение давления. В случае одинакового коэффициента линейного расширения мембраны и корпуса при изменении температуры манометра изменяется зазор между мембраной и электродом. Емкостный температурный коэффициент ас для манометра, изображенного на рис. 2. 13, можно, исходя из его размеров, приближенно определить по формуле (2. 38)

отсюда



Для манометра и мембраны, изготовленных из нержавеющей стали 20, ас был равен —10-4 град-1, что при изменении температуры на ГС вызывало появление выходного сигнала, соответствующего изменению давления 2,5-10~3 мм рт. ст. Для борьбы с погрешностями измерения, возникшими вследствие изменения температуры окружающей среды, манометр термостати-руют водой, имеющей постоянную температуру, или помещают корпус манометра в вакуум, используя его хорошие теплоизоляционные свойства.

Если термостатирование прибора невозможно, можно обеспечить высокую точность измерения давления, пользуясь тем, что чувствительность манометра сохраняется постоянной при небольших изменениях температуры. Кривые зависимостей емкости конденсатора мембранного манометра от давления остаются параллельными самим себе при изменении температуры манометра в пределах + 5° С. Построив график изменения емкости конденсатора в функции от перепада давления, получим градуировочную кривую, не зависящую от температуры манометра в пределах ±5° С. Неудобство измерения абсолютного давления таким образом состоит в том, что каждый раз измерения следует начинать с определения нулевой точки.

Уменьшением жесткости мембраны можно значительно повысить чувствительность манометра. Например, использование в качестве мембраны алюминированного полимера терилина толщиной 0,0125 мм и диаметром 120 мм позволило измерять перепады давлений до 5-10“® мм рт. ст.

В практике работы с мембранными манометрами находят применение три метода измерения давления: прямой, дифференциальный и нулевой.

Прямой метод обеспечивает непосредственное измерение абсолютного давления в вакуумной системе; сравнительное давление при этом поддерживается близким к нулю.

Дифференциальный метод состоит в измерении разности сравнительного давления и давления в вакуумной системе; сравнительное давление при этом соизмеримо с давлением в вакуумной системе.

При различных коэффициентах линейного расширения корпуса манометра и мембраны кроме изменения зазора между мембраной и электродом наблюдается изменение прогиба мембраны.

Дополнительный прогиб мембраны уо в этом случае, согласно 12, может быть подсчитан по формуле


При нулевом методе измерения прогиб мембраны, полученный в результате воздействия измеряемого давления, компенсируется противоположно направленной силой до своего первоначального значения. Величина компенсирующей силы при нулевом прогибе мембраны является мерой измеряемого давления.

Можно указать два варианта применения последнего метода. Один из них предложен Альпертом 16. Схема устройства показана на рис. 2. 15. Сравнительная часть мембранного манометра связана со вспомогательной вакуумной системой, давление в которой можно регулировать с помощью натекателя 3 и механического насоса. В процессе измерений давление в сравнительной части устанавливают таким, чтобы емкость конденсатора между мембраной 1 и электродом 2 была такая же, как при отсутствии перепада давлений с обеих сторон мембраны. Сравнительное давление измеряют обычным жидкостным манометром 4. Мембрана в этом случае служит препятствием для проникновения паров масла или ртути из жидкостного манометра в камеру вакуумной системы.

Другая разновидность применения нулевого метода состоит в том, что возвращение мембраны в исходное положение достигается под действием электростатических сил. Манометры такого типа могут быть применены в качестве образцовых с погрешностью не более 1%. На рис. 2. 16 показана схема манометра ВНИИМ 17. Две камеры вакуумноплотно разделены тонкой упругой мембраной 1. По обе стороны мембраны расположены изолированные электроды 2 и 3. Вместе с мембраной они образуют два конденсатора с емкостями Сг и С2 соответственно.


Конденсатор включен в одно из плеч измерительного моста, равновесие которого устанавливают при отсутствии перепада давлений по обе стороны мембраны. Измерительный мост питается высокочастотным напряжением U-. Отклонение мембраны от нулевого положения компенсируют силой электростатического взаимодействия между обкладками конденсатора С2. Измеряемый перепад давления Р для такого манометра пропорционален квадрату постоянного напряжения 17=, приложенного к обкладкам конденсатора С2.

Коэффициент пропорциональности b определяется размерами манометра. Значение b для манометра ВНИИМ равно 3,16 • 10″2 ммрт. ст.в2, а чувствительность 450 пф/ммрт. ст. Пределы измерения манометра со-ставляют4- 10″3-10“3ЛЛ<рт. ст. Верхний предел измерения ограничен величиной пробивного напряжения для зазора между пластинами конденсатора.

Для регистрации перемещения в мембранных манометрах иногда применяют тензометрические датчики, наклеиваемые непосредственно на мембрану или устанавливаемые на специальном гибком основании. Такие манометры часто применяются для измерения пульсирующих давлений.

Перемещения в манометре можно измерять также индукционным методом. Примером может служить манометр 18, в котором сердечник, укрепленный на мембране, перемещается в катушке индуктивности. Минимальный перепад давления, регистрируемый манометром, составлял 2-10″2 мм рт. ст.

На рис. 2. 17 показана схема мембранного манометра с двумя катушками, намотанными на общий сердечник 19. Вихревые токи, возникающие в мембране в результате прохождения в первичной катушке переменного тока частотой несколько мегагерц, ослабляют взаимоиндукцию катушек и К2 и уменьшают ток во вторичной катушке К2. При отклонениях центра мембраны до 0,5 мм нелинейность характеристики составляла не более 1%, что значительно лучше, чем для емкостных мембранных манометров. При гофрированной мембране диаметром около 70 мм, толщиной 0,025 мм и при зазоре между мембраной и электродом около 0,1 мм с помощью этого манометра можно измерять давление от 10-1 до 10-4 мм рт. ст.

Среди механических манометров определенный интерес представляют сильфонные манометры. В этих манометрах в качестве упругого элемента, чувствительного к давлению, используется гибкая гофрированная трубка — сильфон. При тех же габаритах сильфоны имеют значительно меньшую жесткость, чем мембраны, и, следовательно, обеспечивают большую чувствительность. Недостаток сильфонов заключается в возможности появления в них остаточных деформаций из-за низкого предела упругости, что требует применения конструктивных мер для предохранения их от перегрузок в процессе работы манометра.

На рис. 2. 18 приведена эквивалентная схема манометра с тремя сильфонами, изображенными в виде пружин.

Манометр предназначен для работы в широком диапазоне давлений.

Емкость цилиндрического конденсатора между кареткой L и корпусом манометра пропорциональна суммарной величине деформаций сильфонов и служит мерой измеряемого давления.

Отношение жесткости сильфона gt к площади ft (i — номер сильфона) подбирается таким образом, чтобы получить значительные деформации сильфонов в различных диапазонах давления. Каждый сильфон имеет ограничитель деформаций в виде боковых предохранительных упоров. Максимально возможная деформация каждого из сильфонов b (рис. 2. 18) может быть сделана достаточно малой, что позволяет не учитывать явления гистерезиса и предотвратить появление остаточных деформаций.

Если задаться максимальным рабочим давлением Pt для каждого сильфона


Уравнение перемещения х каретки L манометра в функции от давления Р с учетом выражений (2. 41) и (2. 42) может быть приближенно представлено в таком виде:



Относительную чувствительность манометра К можно определить из следующего выражения:

Из выражений (2. 43) и (2. 42) можно получить.

После подстановки формулы (2. 45) в выражение (2. 44) и интегрирования получим изменение емкости конденсатора при изменении давления от Р до Р»:

Градуировочная кривая такого манометра может с некоторым приближением считаться линейной функцией логарифма давления, и она может быть рассчитана по размерам манометра. Идеальную линейную характеристику можно получить при использовании одного сильфона, для которого при lg Р = сх и Pf = gx где с — коэффициент пропорциональности между логарифмом давления и деформацией сильфона.



Выполнение этого соотношения возможно только в случае изготовления специальных сильфонов с переменным диаметром или толщиной стенки.

На рис. 2. 19 показана конструкция сильфонного манометра 21 . Манометр выполнен по схеме, приведенной на рис. 2. 18, и имеет диапазон измеряемых перепадов давлений от 760 до 10-2 мм рт. ст.

В электрических схемах для измерения емкости в деформационных манометрах обычно конденсатор манометра используется как элемент схемы, в которой он управляет изменением частоты генератора.

Leave A Reply