Деформационные преобразователи

К деформационным преобразователям относятся трубчатые и мембранные преобразователи.

Трубка Бурдона (рис. 6.2) —деформационный манометр в виде спиральной трубки 2, скручивающейся под действием атмосферного давления в случае откачки внутренней полости за счет разных радиусов кривизны, а, следовательно, и площадей наружной и внутренней поверхностей трубки.

Силы F₁ и F₂, действующие соответственно на поверхности с большим и меньшим радиусами:

F ₁ = (p _атм – p) A ₁ ; F ₂ = (p _атм – p) A _2, (6.1)

где p _атм — атмосферное давление; р — давление в трубке; А ₁ и A ₂ — площади наружной и внутренней поверхностей участка спиральной трубки.

Измерительное уравнение связывает между собой перемещение конца трубки х и разность давлений р _атм - p соотношением

∆ F = F₁ - F₂ = (p _атм – p)(A₁ – A₂) = cx, (6.2)

где с –жесткость трубки.

Манометр измеряет давления в пределах 10⁵...10³ Па. Измерение давлений ниже 10³ Па затруднено тем, что трубка при малой жесткости должна быть достаточно прочной, чтобы выдержать атмосферное давление. Погрешность измерения равна 5% и ограничена упругим последействием трубки — медленным возвращением трубки в исходное положение после упругой деформации.

К вакуумной системе манометр подключается через штуцер 4. Регистрация перемещения спиральной трубки обычно рычажно-стрелочная, когда конец спиральной трубки связан через зубчатый сектор 3 со стрелкой 1.

Деформационные мембранные преобразователи различаются в зависимости от способа регистрации перемещения мембраны и метода измерения. В барометрах используется схема, показанная на рис. 6.3, а. Внутри герметичной полости, образованной мембранами 1, создается сравнительное давление р _ср. Если измеряемое давление р не равно р _ср, то происходит деформация мембран и перемещение стрелки, пропорциональное разности давлений:

(p _сp – p) = kx, (6.3)

где k — коэффициент пропорциональности.

Такой прибор измеряет разность давлений и поэтому называется дифференциальным.

На этом же принципе работает мембранный преобразователь (рис. 6.3, б), но в нем применен емкостный метод регистрации перемещения. Мембрана 2 в этом приборе герметично разделяет корпус 1 на две камеры, в одной из которых поддерживается сравнительное давление р_сp, а другая присоединяется патрубком 5 к вакуумной системе. Через изолятор 4 в нижнюю камеру вводится электрод 3, образующий с мембраной конденсатор, емкость которого является функцией давления. Этот преобразователь может измерять абсолютное давление в вакуумной системе, если р_cр = 0.

Мембранный преобразователь с двумя электродами (рис. 6.3, в) работает при нулевой деформации мембраны. На электрод 2 подается переменное напряжение, позволяющее определить емкость и положение мембраны. На электрод 1 прикладывается постоянное напряжение, которое за счет электростатических сил возвращает мембрану к исходному положению, компенсируя воздействие разности давлений. Разность давлений в этом приборе пропорциональна квадрату постоянного напряжения, приложенного к электроду 1.

Диапазон измерения мембранных преобразователей 10⁵...10^-1 Па. Но так как линейность показаний сохраняется только при небольших деформациях мембраны, то один прибор может измерять давления, лежащие в пределах 2...3 порядков.

Нижний предел измерения ограничивается температурными деформациями, минимальной жесткостью и прочностью мембраны. Преобразователи с электростатической компенсацией деформации мембраны имеют более стабильные характеристики.