Материал: 2015 [Тынчеров] Основы автоматизации ТПНП

здать образцовые деформационные манометры, погрешности кото-

рых не превышают 2,5∙10–4–5∙10–4 (0,025÷0,05%).

Одно из важнейших направлений развития точных деформационных манометров — разработка портативных образцовых переносных манометров, пригодных для контроля рабочих средств измерений на месте их эксплуатации.

Переносной манометр содержит переключатели единиц измерений и диапазонов измерений, ручной насос, регулятор объема, корректор нуля и штуцер для подключения измеряемого давления. Питание прибора осуществляется от батареек напряжением 12 В или от внешнего источника питания.

Однако основное назначение деформационных манометров состоит в удовлетворении потребностей различных отраслей промышленности в измерении давления, так как в каждой отрасли существуют свои требования к условиям эксплуатации, формам представления информации, точности и надежности, необходимым габаритным размерам и массе, стоимости приборов и пр. Все это требует совершенствования различных параметров и свойств деформационных манометров, специфика которых определяется их назначением и принципом действия.

Деформационные манометры, основанные на электрических методах преобразования (индуктивные, емкостные и др.), обеспечивая достаточно высокую точность, нуждаются в совершенствовании методов защиты их электрических цепей от воздействия внешних электрических и магнитных полей, особенно при необходимости размещения на расстоянии УЧЭ и электроники.

Дальнейшее развитие получают металлические и полупроводниковые тензорезистивные деформационные манометры.

Технология изготовления кремниевых полупроводниковых тензодатчиков в настоящее время отработана достаточно хорошо и ее совершенствование будет продолжаться по мере развития микроэлектроники. Однако при температуре выше 200°С полупроводниковый кремний теряет свою тензочувствительность, превращаясь в обычный проводник, что не допускает их применение в условиях высоких температур (внутри работающих автомобильных и реактивных двигателей, в буровых установках глубокого бурения и пр.). Весьма перспективна для этих целей замена кремния на карбид кремния (карборунд). В настоящее время уже созданы транзисторы из карбида кремния на подложке из его окислов, нанесенной на металлическую мембрану.

Полупроводниковые свойства такого тензорезистора при температуре 650°С аналогичны свойствам обычного кремниевого тензорезистора при температуре 20°С.

В настоящее время проводятся также разработки полупроводниковых тензорезисторов, предназначенных для работы в условиях низких температур (сверхпроводящие магнитные системы термоядерных установок, криогенные накопители энергии, реактивные двигатели на сжиженном водороде и пр.) в диапазоне от 2 до 100 К (от -271°С до -173°С). В этих условиях чистые полупроводники превращаются в диэлектрики. Введение в кремний примесей позволяет сохранить тензочувствительность, хотя она существенно снижается. В нашей стране разработан датчик такого типа.

4.4.2. Методы косвенных измерений давления

В отличие от методов прямых измерений давления, на которых основаны рассмотренные ранее жидкостные, поршневые и деформационные манометры, методы косвенных базируются на измерении физических величин (температуры, объема), значения которых связаны с давлением известными физическими закономерностями, или на изменении физических свойств измеряемой среды под действием давления (теплопроводности, вязкости, электропроводности и пр.).

Косвенные методы, как правило, находят применение в тех случаях, когда прямые методы измерения давления трудноосуществимы, например, при измерении весьма малых давлений (вакуумные измерения) или при измерениях сверхвысоких давлений. Обычно различают косвенные методы, основанные на:

•уравнении состояния идеального газа;

•фазовых переходах;

•изменении физических свойств измеряемой среды.

Косвенные методы, основанные на уравнении состояния иде-

ального газа. Связь между важнейшими термодинамическими параметрами газа определяется соотношением:

где р — абсолютное давление газа; Т — абсолютная температура газа; V — объем, занимаемый газом.

Соотношение (4.29) называется объединенным газовым законом и формулируется следующим образом: при постоянной массе га-

Равенство давлений достигается изменением объема камеры 3 посредством перемещения сильфона 4 с помощью винта и червячной передачи с отсчетом числа оборотов червяка по цифровому счетчику. При погрешности термостатирования 0,001°С изменения давления фиксируются с погрешностью менее 0,5 Па.

В дифференциальном газовом барометре системы Д. И. Менделеева (рис. 4.37) изменение атмосферного давления определяется комбинированным методом. Барометр состоит из замкнутого сосуда 1, соединенного с давлением окружающего воздуха при помощи V-образного жидкостного манометра 2.

Рис. 4.37 — Дифференциальный газовый барометр

Барометр основан на уравновешивании изменений атмосферного давления как столбом жидкости, так и сжатием (расширением) газа

взамкнутом сосуде по закону Бойля-Мариотта. Как и ранее, необходимо тщательное термостатирование сосуда 1 или введение температурной поправки, равной 0,37 % на 1°С.

Следует отметить, что рассмотренные выше газовые барометры

всвязи с появлением высокоточных деформационных барометров аналогичного назначения в настоящее время практически не применяются. В отличие от этого в области вакуумных измерений указанный принцип находит широкое применение. Компрессионные («компрессия» — сжатие) и экспансивные («экспансия» — расширение) манометры являются основными средствами воспроизведения к пе-

редаче единицы давления в области вакуумных измерений в диапазоне от 10–3 до 103 Па (10–5 –10 мм рт. ст.).

Косвенные методы, основанные на фазовых переходах. Из-

вестно, что любое вещество в зависимости от давления и температуры может находиться в различных агрегатных состояниях (твердой,

жидкой и газообразной фазах). Типовая диаграмма состояний в координатах р и Т представлена на рисунке 4.38. Кривыми линиями изображены границы между различными фазами (кривые равновесия фаз), соответствующие давлениям и температурам, при которых из одной фазы в другую переходит одинаковое число молекул.

При этом кривая СК выражает зависимость от температуры давления насыщенного пара над жидкостью; кривая АС — давления насыщенного пара над твердым телом, кривая ВС — температуры плавления от давления. Например, при давлении р1 и температуре Т1 будет наблюдаться равновесие твердой 1 и газообразной 2 фаз. Если при той же температуре Т1 давление понизить, то начнется переход твердой фазы в газообразную. Этот процесс называется возгонкой или сублимацией («сублимаре» — возносить).

Рис. 4.38 — Типовая диаграмма состояний

Аналогично на границе ВС происходит плавление твердой фазы (кристаллизация жидкой фазы 3), а на границе СК — кипение жидкой фазы (конденсация газообразной фазы). Необходимо отметить также две особые точки. Тройная точка С, находящаяся на пересечении всех трех кривых равновесия фаз, характеризует состояние вещества, когда находятся в равновесии одновременно твердая, жидкая и газообразная фазы. Критическая точка К соответствует критической температуре Тк и критическому давлению рк, при которых теряется всякое различие между жидкостью и ее паром, а граница между ними исчезает.

Указанные выше кривые равновесия фаз и тройная точка используются в косвенных методах определения давления по результатам измерения температуры в равновесных точках (в области темпе-