Мембрана (рис. 8, а) представляет собой упругую пластину в фор­ме диска, жестко закрепленную по наружному контуру, прогиб которой определяется действующим на нее давлением.

Рис. 8. Основные типы УЧЭ

Мембранная коробка (рис. 8, б) состоит из двух гофрированных мембран, герметично соединенных по наружному контуру, что соответ­ственно увеличивает ее прогиб под действием давления.

Сильфон (рис. 8, в) имеет форму тонкостенного цилиндра, боковая поверхность которого гофрирована с целью увеличения его прогиба под действием давления. При большой глубине вытяжки гофр сильфона ста­новится идентичным батарее последовательно соединенных мембранных коробок.

Трубчатая пружина (рис. 8, г) представляет собой тонкостенную трубку, ось которой искривлена по дуге окружности. В отличие от пре­дыдущего трубчатая пружина под действием давления разгибается, а ее свободный конец перемещается по дуге.

При преобразовании давления в перемещение основными метрологи­ческими характеристиками УЧЭ являются: упругая характеристика, не­линейность упругой характеристики, чувствительность и жесткость, гис­терезис и постоянство упругой характеристики.

1.3.3. Индуктивные и трансформаторные (взаимоиндуктивные) электромагнитные преобразователи

Индуктивными преобразователями называются преобразователи, преобразующие перемещение в изменение индуктивности магнитной це­пи. Принцип действия преобразователя заключается в следующем (рис. 9). Преобразователь содержит магнитопроводы 1и 2 с ка­тушками Z1 и Z2, между которыми помещен жесткий центр 3 мембра­ны. Катушки питаются напряжением переменного тока и включены в ин­дуктивный мост, два дополнительных плеча которого составляют посто­янные сопротивления Z3 и Z4. В равновесном положении мост сбаланси­рован и сила тока Iк в диагонали моста равна нулю. При воздействии на мембрану давления жесткий центр сместится, что приведет к увеличению магнитного сопротивления магнитопровода 1 и уменьшению сопротивле­ния магнитопровода 2, а вместе с тем и их полных электрических сопро­тивлений Z1 и Z2. В результате разбаланса моста по диагонали последне­го потечет ток Iк, пропорциональный перемещению центра мембраны, а следовательно, давлению.

Рис. 9. Принцип действия индуктивного преобразователя

Дифференциальная схема индуктивного преобразователя, выходным параметром которой является разность Z1 - Z2, расширяет линейный учас­ток до

∆δ = ± (0,3-0,4) δ0, а также существенно повышает чувствитель­ность преобразователя, которая позволяет фиксировать 0,1 мкм по перемещению жесткого центра.

По принципу действия индуктивные преобразователи пригодны для измерения любого вида давления: абсолютного, избыточного и разности давлений. При этом достоинством индуктивных преобразователей явля­ется отсутствие механических устройств для вывода выходного сигнала УЧЭ к промежуточным преобразователям, что обусловливает отсутствие потерь на трение в передаточном механизме. Поэтому индуктивные пре­образователи пригодны для измерения небольших разностей давлений при высоком статическом давлении с хорошими динамическими харак­теристиками.

1.3.4. Резистивные деформационные манометры

Резистивные манометры основаны на изменении активного электросопротивления проводников при их механической деформации. Впервые этот эффект (тензоэффект) был рассмотрен английским физиком В. Томпсоном (лорд Кельвин) в 1856 г. Экспериментальные исследова­ния тензоэффекта для различных металлов и сплавов были впервые про­ведены при давлениях до 300 МПа Лизелом (1903 г.), а затем при дав­лениях до 1300 МПа Бриджменом (1911г.). Однако широкое внедрение тензоресторной техники в промышленность началось со времен второй мировой войны.

Принципиальное отличие тензометрического метода измерения дав­ления состоит в том, что мерой давления является не перемещение за­данной точки УЧЭ в осевом направлении, а деформации поверхности УЧЭ или поверхности связанного с ним тела. Измерительный преобразо­ватель, который преобразует деформации поверхности твердого тела в изменение его электросопротивления, называется тензорезистором,

Обычно выделяют следующие основные группы тензорезисторов: проволочные, фольговые, тонкопленочные и полупроводниковые. При этом находят применение два основных вида преобразования давле­ния:

1. давление, воспринимаемое УЧЭ, вызывает деформацию его поверх­ности (растягивающую или сжимающую), которая преобразуется в из­менение электросопротивления тензорезистора;

2. давление, воспринимаемое УЧЭ, преобразуется в сосредоточенную силу, которая деформирует упругое твердое тело с жестко связанным с ним тензорезистором; иногда производится промежуточное преобразо­вание силы в момент сил.

Аппаратура, содержащая промежуточные преобразователи различ­ного назначения, а также источники питания, усилитель выходного сиг­нала и вторичные приборы для индикации и регистрации давления, тре­бует существенно больших затрат на изготовление, чем УЧЭ с вмонтиро­ванными в него тензорезисторами, которые, как правило, включаются в мостовую схему и составляют вместе с УЧЭ единый блок (датчик).

Тензорезисторы обычно включаются во все четыре плеча мостовой схемы, причем для повышения чувствительности одна пара тензорезисторов работает на растяжение, а другая на сжатие. Иногда два тензорезистора располагаются на участках УЧЭ, подверженных деформации, а два других „холостых" (не подвергаются растяжению или сжатию) предна­значены для температурной компенсации мостовой схемы. Для датчиков высокой точности требуются также уравновешивающие и компенсацион­ные элементы для корректировки нуля и диапазона измерений и пр.

Первыми были разработаны проволочные тензопреобразователи (проволочные тензорезистивные манометры), предназначенные для из­мерения высоких давлений, которые в отличие от указанных выше ме­тодов преобразования основаны на всестороннем сжатии проводника непосредственно давлением окружающей среды без применения УЧЭ, т. е. функции УЧЭ и тензорезистора совмещены в одном элементе.

В качестве материала проволочного сопротивления до настоящего времени применяется манганин (сплав меди, марганца и никеля), эф­фективность которого при создании тензоэффекта была выявлена ис­следованиями Лизела и Бриджмена еще в начале нашего века.

Манганиновый манометр (рис. 10) содержит катушку сопротивле­ния 6, каркас которой с помощью двух металлических стержней 1 при­креплен к втулке 3, и корпус 7 с штуцером для подключения измеряе­мого давления. Для уплотнения стержней в их средней части имеются кольцевые утолщения, с двух сторон которых помещены прокладки 4. Предварительное уплотнение производится с помощью гайки 2, а за­тем под действием давления верхние прокладки самоуплотняются. Для электрической изоляции стержней, предназначенных для включения катушки сопротивления в мостовую схему, стержни отделены от метал­лических деталей воздушными зазорами, которые обеспечиваются цент­ровкой стержней посредством изолирующих втулок 5 и уплотнений 4.