3. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА С ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ, ИЗМЕНЯЮЩИМИ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОД ДЕЙСТВИЕМ ДАВЛЕНИЯ

К данной группе относятся устройства, преобразователи которых имеют следующие принципы действия: пьезоэлектрический, магнитострикционный, ионизационный и др. В измерительных устройствах данной группы давление может воздействовать непосредственно на чувствительный элемент, изменяя его свойства. Изменение физических свойств чувствительного элемента фиксируется различными способами. В большинстве таких устройств имеются мембраны,

отделяющие полость чувствительного элемента от полости измеряемого давления. Мембраны опираются на чувствительный элемент и не могут совершать упругих колебаний. Влияние свойств таких разделительных мембран на динамические свойства измерительных устройств в целом сказывается в определенном изменении частоты собственных колебаний чувствительного элемента или в изменении его характеристик.

Динамические свойства устройств данной группы в значительной степени определяются свойствами чувствительного элемента (частотой собственных колебаний, инерционностью изменения физических свойств и т. д.).

Измерительные устройства с пьезоэлектрическими преобразователями. Действие пьезоэлектрических измерителей давления основано на использовании пьезоэлектрического эффекта, заключающегося в возникновении противоположных электрических зарядов на гранях некоторых кристаллов и искусственных материалов при приложении к ним давления. При этом величина возникающих электрических зарядов прямо пропорциональна приложенному давлению. Пьезоэффект обнаруживается у кварца, турмалина, титаната бария, сегнетовой соли и у других веществ. В пьезоэлектрических преобразователях также используются различные искусственные пьезоэлементы.

Пьезоэлектрические измерительные устройства могут быть выполнены как с модуляцией нагрузки чувствительного элемента, так и без модуляции. Пьезоэлектрические измерительные устройства, действующие без модуляции нагрузки, не могут быть использованы для измерения давления, имеющего статическую составляющую, так как утечка электрических зарядов с граней пьезопластин изменяет существенно их характеристику (см. гл. V, § 4). Для качественной работы всего измерительного устройства необходимо выбирать пьезоэлектрический преобразователь с высокой чувствительностью, высокой частотой собственных колебаний и стабильный по температуре.

Для измерений полей давления применяются устройства с бескорпусными пьезоэлектрическими преобразователями (рис. V.16), которые с помощью металлической трубки размещаются в тех местах исследуемого поля давлений, где желательно провести измерение. На рис. V.17 приведена амплитудно-частотная характеристика такого измерительного устройства. По оси абсцисс в логарифмическом масштабе отложена частота в а по оси ординат — отношение амплитуды А, замеренной на данной частоте к амплитуде наблюдаемой при частоте при неизменной величине возбуждающего сигнала. На основании приведенной характеристики можно считать, что верхний предел частотного диапазона данного измерительного устройства может достигать

Измерение медленно меняющихся давлений можно осуществить с помощью пьезоэлементов, имеющих модулированную нагрузку Для модуляции нагрузки, подаваемой на пьезоэлементы, существует

ряд устройств. Наиболее удачным устройством такого типа является пьезовибратор, представляющий собой дополнительно установленный в преобразователе пьезоэлемент, который в зависимости от величины подаваемого на электроды напряжения изменяет свои размеры.

Рис. V.16. Схема бескорпусного пьезодатчика с дисками из турмалина.

Рис. V.17. Амплитудно-частотная характеристика бескорпусного измерительного устройства: 1 - теоретическая характеристика; 2 — экспериментальная характеристика

Зтим достигается изменение нагрузки на измерительный пьезоэлемент.

Измерительное устройство с модулируемым по нагрузке пьезоэлементом 15] показано на рис. V.18.

Рис. V.18. Схема измерительного устройства с модулируемым пьезоэлементом

Рис. V.19. Схема измерительного устройства с магнитострикционным преобразователем

Давление от мембраны 1 передается с помощью стержня 2 на два измерительных пьезоэлемента 4. Одновременно передающий стержень 2 опирается на модулирующий пьезоэлемент 3, который выполнен в виде кольца и помещен между изолирующими прокладками. Электроды пьезоэлемента 3 подсоединяются к сети переменного тока. Выход преобразователя

присоединяется к измерительному прибору. При воздействии переменного напряжения пьезоэлемент 3 подвергается деформации растяжения и сжатия, при растяжении пьезоэлемент «3 снимает усилие, оказываемое мембраной на измерительные пьезоэлементы 4. Такая разгрузка производится периодически с частотой напряжения, подаваемого на пьезоэлемент 3. Такое измерительное устройство нормально действует при соблюдении условия, что усилие, передаваемое от мембраны через стержень 2 на измерительные пьезоэлементы 4, сложенное с величиной первоначального натяга, не превосходит усилия от растяжения пьезоэлемента 3, когда приложена максимальная величина модулирующего напряжения. В противном случае работоспособность устройства нарушается. Модулирующий пьезоэлемент питается стабилизированным напряжением 220 в при частоте 50 гц.

Рис. V.20. Схема компенсационного измерительного устройства с магнито-стрикционным преобразователем

Рис. V.21. Чувствительный элемент магнитоупругого преобразователя давления: а — конструктивная схема; б - схема включения обмоток.

В заключение можно отметить, что пьезоэлектрические измерительные устройства с модулируемыми преобразователями обладают простой схемой и позволяют измерять медленно меняющиеся давления.

Измерительные устройства с магнитострикционными преобразователями. Конструкция измерительного устройства с магнитострикционным (магнитоупругим) преобразователем, работающем на переменном магнитном поле, показана на рис. V.19. Упругая мембрана 4, выполненная как одно целое с корпусом У, опирается на сердечник 3 катушки 2 и передает ему воспринимаемое усилие. Обмотка катушки питается переменным напряжением с частотой Под действием измеряемого давления изменяется сопротивление магнитной цепи преобразователя, вызывающее соответствующую модуляцию измерительного сигнала. Преобразователь включается в одно из плеч сбалансированного измерительного моста.

На рис. V.20 показана схема компенсационного измерительного устройства. Чувствительным элементом такого устройства

является сердечник 1, выполненный из никель-цинкового феррита. На него опирается мембрана 2, нагруженная измеряемым давлением. Сердечник 4 и вторичные обмотки 3 предназначены для создания компенсационной э. д. с. . Преобразователь включается по дифференциальной схеме, и его первичные обмотки 5 питаются переменным током. При возрастании давления, действующего на сердечник 1, уменьшается его магнитная проницаемость и величина э. д. с. . При этом разность возрастает при увеличении давления. Такой преобразователь может работать без усилителей.

На рис. V.21, а приведена схема еще одного устройства контроля давления с магнитоупругим преобразователем. Чувствительный элемент выполнен на, диске 1 из ферромагнетика, магнитная проницаемость которого изменяется при приложении внешних усилий. Диск имеет два цилиндрических отверстия 2 и кольцевую перемычку 3, связывающую центральный цилиндр 4 с основной частью диска. Крепление диска 1 осуществляется с помощью четырех лапок 5.

Рис. V.22. Чувствительный элемент компенсационного магнитоупругого преобразователя. а — конструктивная схема и б — схема включения обмоток

Преобразователь имеет два электрических трансформатора, состоящих из первичных обмоток 6,7 и вторичных обмоток 8, 9, соединенных между собой в соответствии со схемой рис. V.21, б.

Концы последовательно соединенных первичных обмоток подключены к источнику переменного напряжения. При протекании через первичные обмотки электрического тока в диске возникают соответствующие магнитные потоки, проходящие через кольцевую перемычку. Электрические напряжения, наводимые указанными магнитными потоками во вторичных обмотках, складываются друг с другом. Измеряемое усилие, приложенное по оси цилиндра 4, деформирует перемычку 3; при этом изменяется ее магнитная проницаемость, что приводит к изменению значений электрических напряжений, наводимых во вторичных обмотках.

На рис. V.22 показана схема модифицированного магнитоупругого преобразователя, который содержит два диска 1 и 2, идентичных с диском, показанным на рис, V.21, а. Диск 2 имеет два круглых отверстия 3 и 9, в которых размещены обмотки 4, 5 и 10, 11 и две прорези 6 и 15, ширина которых равна диаметру отверстий 3 и 9. Диск 1 имеет аналогичные пары отверстий и прорезей, которые

расположены так, что прорези диска 2 находятся над отверстиями диска 1 и наоборот. Диски соединены при помощи проушин 12. Последовательно включенные вторичные обмотки трансформаторов 4 и 11 соединены встречно с последовательно включенными вторичными обмотками трансформаторов 8 и 13, как это показано на рис. Обмотки 5 и 10 соединены согласно с обмотками 7 и 14. Входные клеммы первичных обмоток подсоединены к источнику переменного напряжения. Измеряемое усилие действует только на диск при этом диск 1 находится в ненагруженном состоянии.

На рис. V.23 показана схема дифференциального преобразователя, выполненного на основе описанного выше магнитоупругого чувствительного элемента.

Рис. V.23. Общий вид магнитоупругого преобразователя давления

Преобразователь нечувствителен к вибрационным перегрузкам и ударам, которые одновременно действуют на оба диска 1 и 2 и практически не изменяют его выходного напряжения.

Измерительные устройства с ионизационными преобразователями. Устройство ионизационного преобразователя давления показано на рис. V.24, а. Преобразователь состоит из тонкого электрода 2 с игольным острием и второго электрода У, который может иметь форму цилиндра, окружающего электрод 2 у или форму диска, расположенного перед игольным острием на расстоянии в несколько миллиметров. Если на электроды подано напряжение , то вокруг острия возникает коронный разряд и в цепи электродов протекает ток Вольт-амперные характеристики коронного разряда (рис. V.24, б) различаются в зависимости от того, подан на острие электрода 2 положительный или отрицательный потенциал. Эти характеристики в большой степени зависят от давления. Влияние влажности незначительно; влияние температуры пренебрежимо На характеристику также влияет геометрия игольного острия. Преобразователи, в которых используется коронный разряд, практически безынерционны, что позволяет использовать их для измерения колебаний давления с частотой до . В диапазоне

от 102 до 10б гц относительная чувствительность не изменяется; частотная характеристика преобразователя горизонтальна во всем диапазоне.

К этой же группе устройств могут быть отнесены устройства с электронными преобразователями. Измерительное устройство с электронным ионизационным преобразователем измеряет общее давление всех газов, присутствующих в смеси. Измерение происходит непрерывно и практически безынерционно. Электронные ионизационные преобразователи могут быть использованы для измерения давлений в диапазоне между мм рт. ст. В это диапазоне величина выходного тока устройства изменяется почти линейно от до а. При давлениях, больших мм рт. ст., количество положительных ионов, ударяющихся о катод, значительно возрастает, что приводит к разогреву катода и может вызвать его разрушение.

Рис. V.24. Измерительное устройство, основанное на электрическом разряде в газах. а — схема, б — вольт-амперные характеристики коронного разряда для плоского электрода и острия, расположенных на расстоянии 3 мм, отрицательный потенциал на острие

При давлениях, меньших 108 мм рт. ст., применение ионизационных преобразователей этого класса затрудняется тем, что удар электронов о сетку вызывает мягкое рентгеновское излучение. Используя очень небольшие аноды в виде проволочки, подвешенной в центре спиральной сетки (нагреватель в этом случае помещается снаружи спиральной сетки), удалось значительно уменьшить составляющую тока от рентгеновского излучения и расширить пределы измерения таких ионизационных преобразователей до 10-10 мм рт. ст.

Эффективность процесса ионизации неодинакова для различных газов, вследствие этого градуировочные кривые для различных газов существенно отличаются.