ГЛАВА ОДИННАДЦАТАЯ. ПРИБОРЫ ДАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

Общие сведения. Электрические приборы, применяемые в технике для измерения давления различных сред, используются главным образом для исследовательских целей. В основу действия этих приборов положены различные физические явления, например возникновение электростатических зарядов при деформации некоторых кристаллов в определенном направлении, изменение электрического сопротивления проводников при воздействии измеряемого давления, изменение индуктивности или электрической емкости и т. д. Следует отметить, что емкостные приборы давления имеют весьма ограниченное применение вследствие малой чувствительности и зависимости характеристик от температуры.

11-1. Пьезоэлектрические манометры

Действие манометров этого типа основано на использовании пьезоэлектрического эффекта, наблюдаемого у ряда кристаллов (кварца, турмалина, титаната бария, сегнетовой соли и др.). Пьезоэлектрические манометры, использующие в качестве первичного преобразователя кварц (двуокись кремния нашли наибольшее практическое применение по сравнению с приборами, использующими другие кристаллы, благодаря существенным достоинствам кварца, который негигроскопичен, обладает большой механической прочностью, хорошими изоляционными качествами и независимостью пьезоэлектрических свойств от температуры сравнительно в широком интервале

Рис. 11-1-1. Кристалл кварца (а) и пластина кварца и ее оси (б).

У кристалла кварца (рис. 11-1-1, а) различают следующие оси: оптическую, проходящую через вершины кристалла; электрическую, перпендикулярную оптической и проходящую через ребра (их три со сдвигом в 120°); механическую (или нейтральную), которая расположена нормально к граням кристалла (их также три).

Если из кристалла кварца вырезать прямоугольную пластину (рис. 11-1-1, б) с гранями, параллельными осям (срез Кюри), и подвергнуть ее сжатию (или растяжению) вдоль электрической оси, то на гранях, перпендикулярных этой оси, появятся электростатические заряды, равные по значению и противоположные по знаку, При переходе от сжатия к растяжению и обратно знаки

зарядов меняются в соответствии с изменением знака силы, действующей вдоль электрической оси.

Значение заряда, возникающего вследствие действия силы вдоль электрической оси, или давления действующего на площадь грани ауаг, равно:

где пьезоэлектрическая постоянная или пьезоэлектрический модуль,

Коэффициент не зависит от размеров кристалла, однако его значения различны для разных пород кварца. Значение для применяемого кварца равно

Если при действующем давлении весь заряд с граней снять, а затем давление изменить до то на гранях вновь появится заряд равный:

При действии силы вдоль механической оси заряды появляются также на гранях При этом знаки зарядов обратны тем, которые появляются при действии силы того же знака, что и сила Таким образом, эффект растяжения кварца в направлении одной оси равнозначен эффекту сжатия его в направлении другой оси. Установлено, что значение заряда появляющееся на гранях в результате действия силы равно:

Уравнение (11-1-3) показывает, что увеличение заряда при одной и той же силе может быть достигнуто путем увеличения размера или уменьшения размера

Уравнение (11-1-3) можно представить в следующем виде:

где давление, действующее на площадь грани .

Действие силы в направлении оптической оси не вызывает появления заряда.

Пьезоэлектрический эффект называется продольным, если заряд на гранях возникает вследствие действия сил и поперечным, если заряды на тех Же гранях появляются под действием сил

Пьезокварцевые манометры, позволяющие измерять давление До и выше, широко применяются при измерении быстропеременных давлений. При этом чем быстрее протекает исследуемый процесс, тем достовернее данный метод. Практически пьезоэлектрический эффект можно считать безынерционным и достаточно стабильным.

Устройство преобразователя пьезокварцевого манометра с продольным пьезоэффектом схематично показано на рис. 11-1-2. В

корпусе преобразователя расположены две кварцевые пластины 2 и 4, которые обращены друг к другу сторонами одинаковой полярности. Эти стороны кварцевых пластин прилегают к металлической контактной пластине 3. Вторые стороны кварцевых пластин прилегают к металлическим опорам 1 и 5 и через них электрически замыкаются на корпус преобразователя. Металлические опоры вместе со столбиком из кварца зажимаются между металлической плоской мембраной 9 и крышкой 6. Шарик, находящийся между крышкой 6 и верхней опорой, способствует равномерному распределению давления на поверхности кварца. Нижняя часть корпуса имеет штуцер 10 для соединения преобразователя с объектом измерения.

Рис. 11-1-2. Манометр с пьезокварцевым преобразователем.

При измерении давления положительный заряд, появляющийся на гранях кварцевых пластин, отводится на корпус, а отрицательный заряд с граней пластин снимается контактной пластиной 3 и с помощью провода 8 подается на измерительное устройство. Втулка из янтаря, установленная в канале 7, изолирует провод от корпуса преобразователя.

При измерении давления газа, например в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, необходимо учитывать, что преобразователь может нагреться до сравнительно высокой температуры.

Рис. 11-1-3. Принципиальная схема пьезокварцевого манометра.

При этом хотя у кварца и не наблюдается заметного изменения пьезоэлектрической постоянной, однако чувствительность преобразователя может изменяться, так как вследствие наличия деформаций изменяется предварительное сжатие кварцевого столбика.

Кроме того, нагрев корпуса вызывает быстрое прогорание, мембраны. В силу указанных причин пьезокварцевые преобразователи для таких условий работы изготовляют с водяным охлаждением.

Чувствительность преобразователя можно повысить посредством увеличения активной площади мембраны, применения большего числа последовательно включенных кварцевых пластин или посредством применения удлиненной кварцевой пластины, работающей с использованием поперечного пьезоэффекта.

Основные трудности измерения давления при помощи пьезопреобразователя вызываются электростатической природой зарядов,

их малым значением, невозобновляемостью и тенденцией к быстрому стеканию через утечки.

В качестве примера рассмотрим - упрощенную электрическую схему пьезокварцевого манометра, показанную на рис. 11-1-3. Отрицательный заряд, появляющийся на кварцевых пластинках преобразователя заряжает конденсатор С и управляющую сетку четырехэлектродной лампы до некоторого отрицательного по отношению к катоду потенциала. Этот потенциал определяется значением давления, действующего на кварцевые пластины преобразователя, и суммарной емкостью сеточного контура лампы. Под влиянием изменения потенциала управляющей сетки изменяется анодный ток лампы. Этот ток усиливается второй лампой на сетку которой подается напряжение, снимаемое с резистора . В анодную цепь второй лампы включен шлейф магнитоэлектрического осциллографа Параллельно этому шлейфу включена батарея с регулировочным резистором предназначенная для компенсации нулевого тока усилителя.