TRADUCTOARE PENTRU MASURAREA PRESIUNII

TRADUCTOARE PENTRU MASURAREA PRESIUNII

Pentru masurarea presiunii se folosesc in prezent numeroase tipuri de aparate, bazate pe diferite principii. O mare parte din aceste aparate sunt mecanice, altele sunt electronice sau combinate (cu parti mecanice si parti electronice). Principalele tipuri de aparate pentru masurarea presiunii pot fi divizate in trei categorii: pentru masurarea vacuumului, presiunilor medii si presiunilor mari.  Pentru masurarea vacuumului se folosesc:

traductoare cu ionizare (cu catod cald, cu catod rece, cu radiatii);

traductoare termice (cu termocuplu, cu termopile, cu termorezistor);

aparate mecanice (manometre MacLeod, capacitive etc.).

Pentru masurarea presiunilor medii ( si a vacuumului ) se folosesc:

traductoare cu diafragma;

traductoare cu burduf;

traductoare cu tub Bourdon;

traductoare electro-tensometrice;

manometre cu lichid;

traductoare inductive;

traductoare capacitive;

traductoare piezoelectrice.

Pentru masurarea presiunilor mari se folosesc:

traductoare cu element elastic speciale;

traductoare cu manganina.

In cele mai raspindite cazuri se utilizeaza mijloace de masurare a presiunii care folosesc dispozitive electronice.

Traductoare cu ionizare

Vacuummetrele sunt aparate pentru masurarea presiunilor mici si foarte mici (masurarea vacuumului) in comparatie cu presiunea atmosferica.

Gama de masurare a vacuummetrelor se intinde de la 10 ^{- 9} la 10⁵ Pa (aproximativ 10 ^{- 11}10 ³ mm Hg), adica incepind de la presiunea urmelor de gaz pina la presiuni apropiate de cea atmosferica. Traductoarele de vacuum cu ionizare sunt singurele mijloace de detectare a vidului inaintat. Diversele sisteme pot fi clasificate dupa metoda folosita pentru generarea electronilor, al caror numar este corelat cu presiunea absoluta de masurat.

Cele mai cunoscute tipuri sunt:

cu catod cald;

cu catod rece;

cu radiatii.

Toate tipurile se bazeaza pe masurarea curentului electric care rezulta in urma ionizarii gazului a carui presiune se masoara. Pentru a obtine ionizarea,trebuie indepartat un electron din molecula de gaz. Aceasta se realizeaza cedind moleculei o energie corespunzatoare potentialului sau de ionizare,de obicei intre 530 eV.

Daca aceasta energie este cedata in mod constant in timp (la o putere constanta), curentul ionic va fi constant si proportional cu presiunea gazului.

Principiul de functionare al traductorului de vacuum cu catod cald rezulta din figura 1.

Electronii emisi de catodul cald sunt accelerati de grila si ciocnind moleculele de gaz, dau nastere la ioni pozitivi.

Acestea sunt atrasi de colectorul polarizat negativ si formeaza un curent ionic, proportional cu presiunea gazului, daca aceasta nu depaseste 10 ^-3 mm Hg (la presiuni mai mari relatia curent - presiune devine neliniara din cauza scurtarii drumului liber mediu).

Fig 1. Traductor de vacuum cu termocuplu

Precizia sistemului este de circa 10 % la o presiune de 10 ^-5 mm Hg. Presiunile detectabile sunt intre 10 ^-1110 ^-3 mm Hg, iar sensibilitatea de ordinul 100 μA/10 ^-6 mm Hg. Aparatul trebuie prevazut cu un dispozitiv de protectie, care sa deconecteze alimentarea catodului la presiuni mai mari 10 ^-3 mm Hg.

Traductorul cu catod rece difera de cele cu catod cald prin aceea ca electronii sunt produsi prin actiunea unui cimp electric intens. Pentru a majora sensibilitatea dispozitivului, se aplica si un cimp magnetic care forteaza electronii sa se deplaseze in spirala, lungind astfel traiectoria lor si crescind probabilitatea ciocnirilor cu moleculele gazului. In acest mod, sensibilitatea este de citeva zeci de ori mai mare decit la traductoarele cu catod cald. Gama detectabila este de 10 ^-710 ^-2 mm Hg, iar precizia este de circa 20%.

La traductoarele cu radiatii, ionizarea gazului este produsa prin bombardarea cu particule alfa. De aceea, dispozitivul este cunoscut si sub denumirea de alfatron. Sensibilitatea sistemului este cu mult inferioara celor cu emisie electronica. Gama de masurare este de la 10 ^-4 mm Hg pina la presiunea atmosferica.

Pentru masurarea vacuumului, pina la 10 ^-14 mm Hg, se folosesc uneori spectrometre de masa. Costul acestor aparate este insa prea mare pentru masurari de rutina.

Traductoare termice

Traductoarele termice de vacuum se bazeaza pe dependenta conductivitatii termice a gazelor de presiunea lor. Daca un element incalzitor,actionat la putere constanta, este plasat in gazul a carui presiune se masoara,temperatura sa va fi functie de presiunea gazului. Dupa sesizorul de temperatura folosit, se deosebesc sisteme cu termocuplu si sisteme cu termorezistor. In general, presiunea masurabila este limitata inferior la circa 10 ^-3 mm Hg.

In figura 2 este schitat un traductor de vacuum cu termocuplu. Filamentul incalzitor este incalzit prin trecerea unui curent continuu sau alternativ constant. Un termocuplu sudat la centrul filamentului permite masurarea temperaturii acestuia, care scade odata cu cresterea presiunii gazului. Temperatura filamentului este limitata la circa +200 ⁰C pentru a preintimpina descompunerea sau depunerea pe pelicule. Se prevad de obicei compensari pentru variatia temperaturii ambiante, prin utilizarea unei a doua celule martor, bine vidata. Precizia masurarii este intre 210 %, functie de instrumentul folosit pentru masurarea tensiunii termoelectromotoare.

Fig 2. Traductor de vacuum cu termocuplu

Pentru masurarea sensibilitatii, se conecteaza in serie mai multe termocupluri, unul dintre acestea,fara contact cu incalzitorul conectat in opozitie cu celelalte, este folosit pentru compensarea variatiilor temperaturilor ambiante. Acest sistem permite reducerea temperaturii incalzitorului, micsorind efectele de contaminare.

Traductorul de vacuum cu termorezistor, cunoscut si ca traductor tip Pirani, utilizeaza acelasi gen de fir incalzitor, ca si cel precedent, dar detecteaza presiunea prin variatia rezistentei incalzitorului insusi.

Un al doilea incalzitor, identic cu primul, dar inchis intr-o celula vidata, serveste pentru compensarea variatiilor temperaturii ambiante. Cele doua incalzitoare sunt incluse intr-o punte Wheatstone neechilibrata, care furnizeaza o tensiune de iesire functie de variatia rezistentei filamentului activ, deci functie de presiunea de masurat (fig 3).

Fig 3. Traductor de vacuum cu termorezistor / Pirani /

Manovacuummetrele sunt aparate care servesc in general la masurarea presiunilor cu valori in jurul presiunii atmosferice - sub sau peste aceasta - pina la valori de ordinul 10 ⁸ Pa sau uneori si mai mari. Dintre manovacuummetrele electronice,cele mai raspindite sunt tipurile care folosesc traductoare tensometrice, inductive, capacitive si piezoelectrice.

Traductoare electro-tensometrice

Principiul traductoarelor de presiune tensometrice este asemenea celui al traductoarelor de forta tensometrice. Doua, patru sau mai multe traductoare tensometrice sunt montate pe un element elastic care converteste presiunea de masurat intr-o deformatie; aceasta deformatie se masoara cu ajutorul traductoarelor tensometrice. Elementul elastic poate fi o membrana, burduf, tub Bourdon (pentru presiuni medii) sau tub metalic (pentru presiuni mari). In figura 4 este schitat principiul unui traductor de presiune cu elemente tensometrice (fire) libere (nelipite).

Fig Traductor de presiune cu elemente tensometrice libere

Presiunea de masurat actioneaza o membrana, a carei deplasare produce deformarea unui element elastic. Cele doua pachete rezistive de fire sunt supuse la eforturi de sens contrar (compresiune, respectiv tractiune), introduse intr-o punte Wheatstone, produc dezechilibrarea acesteia in functie de presiunea aplicata.

Mai raspindite sunt traductoarele de presiune cu elemenete tensometrice lipite (marci tensometrice).

Figura 2.5 reprezinta o varianta de asemenea traductoare, avind ca element elastic o membrana.

Fig 5. Traductor de presiune cu membrana

Traductoarele tensometrice sunt lipite direct de elementele elastice si formeaza o punte Wheatstone. Deoarece eforturile aplicate celor patru traductoare nu sunt egale, puntea se dezechilibreaza sub actiunea presiunii de masurat.

Traductoarele de presiune tensometrice au performante in general foarte bune. Cu ajutorul lor se pot masura presiuni in interval larg de valori,intre 10 ² si 10 ¹⁰ Pa (0,001100000 atmosfere), cu precizii care ajung la 0,2% sau 0,5%. Unele din tipurile fabricate curent pot lucra la temperaturi pina la 350⁰C. Pot fi utilizate si pentru masurari dinamice, pentru telemasurari, etc.

Traductoare inductive

Fig 6. Masurarea presiunii folosind un traductor inductiv

Traductoare capacitive

Traductoarele de presiune capacitive sunt bazate pe variatia capacitatii care rezulta in urma deplasarii unui element elastic, de obicei o membrana, expusa pe o parte presiunii de masurat, iar pe cealalta parte unei presiuni de referinta. Sistemul din figura 7 foloseste un traductor capacitiv diferential, alimentat in inalta frecventa si inclus intr-o punte. Intervalul de masurare ajunge la 10²10⁸ Pa (0,0011000 atmosfere), iar precizia la 0,10,2 %. Raspunsul este liniar si poate fi compensat usor la variatiile temperaturii ambiante.

Alte sisteme folosesc traductoare capacitive simple, a caror variatie de capacitate este convertita in variatie de tensiune sau de frecventa.

Traductoare piezoelectrice

Traductoarele de presiune piezoelectrice sunt similare traductoarelor de forta piezoelectrice. Se pot folosi la masurarea presiunilor pina la ordinul 10⁷ Pa (100 atmosfere), cu precizii de 0,52%. Sunt utilizate in special la ridicarea caracteristicilor motoarelor cu ardere interna, avind proprietati bune la masurarile dinamice.

Traductoarele piezoelectrice depind de operarea asupra faptului generarii tensiunii in oarecare substante cristalice unde ele sunt subiectate de fortele mecanice ori insultele de-a lungul planurilor specifice.

Cristalele naturale sunt cuartul si turmalina, iar ca cristale sintetice sunt reprezentate de sarurile Rosel, titanatul de bariu, titanatul de plumb si metanatul de plumb. Cristalele naturale poseda proprietati cu erori foarte reduse cind sunt utilizate cu impedanta de intrare inalta de amplificare si permit masurarea parametrilor ce variaza lent. Cristalele sintetice (si multe substante fieroelectrice de precizie) poseda o iesire inalta si sunt aproape de o mie de ori mai sensibile decit materialele naturale. Avantajele mai mari ale traductorului piezoelectric sunt frecventa inalta, iesirea inalta, schimbarea de faza neglijabila, dimensiunile mici si constructia accesibila.Limitele lor de frecventa pot fi in exces de un milion de cicluri pe secunda. Impedanta inalta a sarcinii generate de asa cristale necesita utilizarea amplificatoarelor, circuitelor accesorii si cablurilor de conexiune. Fiecare dintre acestea este capabila de a introduce erori. Lungimea cablului poate fi fixata atit de scurt cit e posibil din cauza capacitatii sale care produce efectul de suntare a semnalelor de frecventa inalta.