Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике 3. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА С ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ, ИЗМЕНЯЮЩИМИ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОД ДЕЙСТВИЕМ ДАВЛЕНИЯК 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 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 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. 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. 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 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
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.
|
1 |
Оглавление
|