2.7 Взаимодействие ип с объектом измерений

2.7.1 Типы ип и их особенности

В процессе измерения от физического объекта отбирается часть энергии, необходимая для преобразования в ИП в величину, удобную для последующего измерения или, что характерно для современных измерительных систем, удобную для передачи в пространстве с целью дальнейшего преобразования, обработки и отображения.

Измерительные преобразователи, рассматриваемые как преобразователи энергии, делятся на два типа (рисунок 2.5):

- Генераторные ИП, которые дают энергию на выходе при одном энергетическом входе.

- Параметрические ИП, которые требуют двух и более энергетических входов для получения энергии на выходе. При этом основная (первичная) энергия Евх₁ поступает от измеряемой величины, а функция вспомогательной (вторичной) энергии Евх₂ заключается в том, чтобы перенести информацию, передаваемую основной энергией, на выход ИП.

В принципе, ИП могут быть построены с использованием восьми основных форм энергии: механической, гидравлической (акустической), термической, электрической, магнитной, оптической, химической, ядерной. В связи с этим теоретически может быть создано 8² = 64 типа генераторных и 8³ = 512 типов параметрических ИП. Однако в практике измерений реализовано лишь небольшое число возможных вариантов. Кроме того, у современных преобразователей выходной сигнал представлен в основном электрической формой, что сразу сокращает число комбинаций в 8 раз.

Генераторные ИП более просты по схеме и принципу действия, чем параметрические. В них для выполнения измерительного преобразования и формирования выходного сигнала ИП используется энергия измеряемой величины. В параметрических ИП измеряемая физическая величина изменяет какой-то параметр преобразователя при малых затратах энергии. А формирование выходного сигнала ИП обеспечивается энергией внешнего источника, не создавая энергетической нагрузки на исследуемый физический объект. Несмотря на относительную сложность, ИП такой конструкции обладают меньшими погрешностями преобразования и более высокой помехоустойчивостью и поэтому более распространены, чем генераторные.

Для пояснения различия между двумя типами преобразователей, рассмотрим следующий пример. Необходимо измерить давление газа в баллоне для газовой сварки (давление порядка 10⁷ Па) и давление остаточного газа в вакуумной камере для напыления микросхем (давление порядка 10^-7 Па).

Преобразовать давление газа в баллоне в механическое перемещение можно с помощью изогнутой и сплющенной по длине трубки, заваренной на одном конце (трубка Бурдона). При подаче в трубку газа через второй конец, трубка изгибается и заваренный конец перемещается. Если к нему прикрепить тяги и соединить со стрелкой на оси, то стрелка будет поворачиваться в функции от давления, т.е. давление будет преобразовано в угол поворота стрелки (рисунок 2.6).

Трубчатая пружина 1 открытым концом жестко соединена с держателем 2, укрепленным в круглом корпусе 3 манометра. Держатель несет на себе штуцер 4 с резьбой, служащий для сообщения прибора с измеряемой средой. Свободный конец пружины закрыт пробкой 5 с шарнирной осью и запаян. Посредством по­водка 6 он связан с передаточным механизмом, состоящим из зубчатого сектора 7, сцепленного с шестеренкой (трибкой) 8, сидящей неподвижно на оси вместе с указательной стрелкой 9. Рядом с трибкой расположена плоская спи­ральная пружинка (волосок) 10, один конец которой сое­динен с трибкой, а другой закреплен неподвижно на стойке, поддерживающей передаточный механизм. Воло­сок постоянно прижимает трибку к одной стороне зубцов сектора, благодаря чему при обратном изменении давления устраняется мертвый ход в зубчатом зацеплении передаточного механизма.

Под действием измеряемого давления трубчатая пру­жина (трубка Бурдона) частично раскручивается и тянет за собой поводок, приводящий в движение зубчато - секторный механизм и стрелку манометра, перемещающуюся вдоль шкалы 11. Манометр имеет равномерную круговую шкалу с центральным углом 270—300°.

Оценим силу, создаваемую газом при повороте стрелки. Примем, что трубка Бурдона имеет в поперечном сечении форму прямоугольника с длиной l = 6мм и шириной h = 2мм (внутренние размеры трубки). Трубка изогнута по дуге окружности в 270⁰ с радиусом по внутренней стенке R_V = 30 мм. Газ, поступивший в трубку из баллона, создает давление на стенки трубки. Поскольку площадь наружной стенки, удаленной от центра на радиус R_N = R_V + 2 мм больше, чем стенки, удаленной от центра на радиус R_V, то возникает сила, стремящаяся разогнуть трубку. Эта сила равна

.

Сила F преодолевает силы упругого сопротивления трубки и силы трения в узлах передачи перемещения от трубки до стрелки. Сила трения невелика и составляет примерно 0,001F, т.е. порядка 0,5 Н; по сравнению с величиной действующей силы потерями на трение можно пренебречь. Кроме того, объем трубки настолько меньше объема баллона, что его подключение к баллону заметно не изменяет давления газа в нем.

Теперь перейдем к измерению низкого давления, которое по условию равно Р = 1·10^-7 Па. Упростим расчет (нам важны не точные цифры, а порядок величин). Будем считать, что вместо трубки Бурдона используется мембрана с нулевой упругостью, не требующая силы на свой прогиб. У мембраны более эффективно используется площадь. С одной стороны мембраны – измеряемое давление, с другой – полость с еще более низким давлением, например, 1·10^-10 Па. К мембране прикреплен показывающий механизм от измерителя с трубкой Бурдона. Какова же должна быть площадь мембраны П, чтобы стрелка отклонялась от начального (нулевого) положения?

Поскольку по условию мембрана прогибается без усилия, то сила, развиваемая давлением газа должна только преодолеть трение механизма: 0,001F = P·П = 1·10^-7 П, где П - площадь мембраны. Откуда П = 5·10⁶ м². Получается, что площадь мембраны должна быть порядка 5 квадратных километров.

Почему же получился такой результат? Потому, что для функционирования нашего генераторного преобразователя давления в угол поворота стрелки необходим большой запас энергии измеряемой физической величины (напоминаем, что давление есть мера потенциальной энергии газа). Совершенно очевидно, что прогиб мембраны указанной площади приведет к существенному изменению объема вакуумной камеры и результаты измерений будут далеки от действительного значения физической величины, несмотря на все затраченные усилия по выполнению измерительного преобразования.

Заменим генераторный преобразователь параметрическим. Например, на вакуумный диод. Устроен он следующим образом. К нагретой металлической нити, называемой катодом, подключают отрицательный полюс источника электрического питания. К металлической пластинке, называемой анодом, расположенной на некотором удалении от катода (порядка 10 мм), подключают положительный полюс источника питания.

Вокруг раскаленного катода образуется облако электронов, которое притягивается электростатическим полем к аноду и во внешней цепи должен возникнуть электрический ток. Однако, при высокой плотности газа (высоком давлении) ток между катодом и анодом равен нулю, поскольку электроны с катода соударяются на малой скорости с молекулами газа и, в итоге, направление их движения становится хаотическим, определяемым тепловым движением молекул газа. С понижением давления газа длина свободного пробега электронов возрастает, кинетическая энергия становится такой, что выбивает вторичные электроны из молекул газа. При этом электроны, под действием поля анод - катод движутся в сторону анода, а образовавшиеся положительные ионы – в сторону катода. Во внешней электрической цепи ток пропорционален степени разряжения, т.е. обратно пропорционален остаточному давлению.

Откуда в данном случае берется энергия преобразования? От внешнего электрического источника. Измеряемый параметр только изменяет проводимость среды в преобразователе. И объем подключаемого ИП того же порядка, что у трубки Бурдона, чем обеспечивается сохранение давления в объеме вакуумной камеры.