загрузка...
 
5.6. Деформаційні вимірювальні перетворювачі тиску прямого перетворення
Повернутись до змісту

5.6. Деформаційні вимірювальні перетворювачі тиску прямого перетворення

Вимірювальні перетворювачі тиску, які випускаються у даний час, засновані на методі прямого перетворення, розрізняються як видом деформаційного чутливого елемента, так і способом перетворення його переміщення або зусилля, яке розвивається ним, у сигнал вимірювальної інформації. Для перетворення переміщення чутливого елемента в сигнали вимірювальної інформації широко застосовуються індуктивні, диференціально-трансформаторні, ємнісні, тензорезисторні і інші перетворювальні елементи. Перетворення зусилля, яке розвивається чутливим елементом, у сигнали вимірювальної інформації здійснюється п'єзоелектричними перетворювальними елементами.

Індуктивні вимірювальні перетворювачі тиску. На рис.5.9 а показана схема вимірювального перетворювача тиску, оснащеного перетворювальним елементом індуктивного типу. Мембрана 1, що сприймає тиск, є рухливим якорем електромагніта 2 з обмоткою 3. Під дією вимірювального тиску мембрана 1 переміщується, що викликає зміну електричного опору індуктивного перетворювального елемента.

Диференціально-трансформаторні вимірювальні перетворювачі тиску. Вимірювальний перетворювач тиску диференціально-трансформаторного (ДТ) типу (рис.5.9 б) містить деформаційний чутливий елемент 1 і ДТ-елемент 2. Перетворювальний елемент являє собою каркас із діелектрика, на якому розміщені катушка з первинною обмоткою 7, що складається із двох секцій, відповідно намотаних, і двох секцій 4, вторинних обмоток 5, увімкнутих зустрічно. Усередині каналу катушки розміщене рухоме осердя 6 з магнітом’якого матеріалу, пов'язане із пружиною 1 тягою 3.

Подпись: 
Рисунок 5.9 - Схеми вимірювальних
перетворювачів тиску

Шляхом зміни регульованого опору R1 можна змінювати межі вимірювання  на  ±25%. Формування вихідного сигналу ДТ-елемента здійснюється в такий спосіб. При проходженні по первинних обмотках струму виникають магнітні потоки, що пронизують обидві секції вторинної обмотки та індукують в них ЕРС. Значення цього ЕРС пов'язані із взаємними індуктивностями між первинною обмоткою і кожною із секцій вторинної обмотки.

Перетворення вимірювального тиску в електричні сигнали розглянутим перетворювачем тиску здійснюється шляхом перетворення тиску в деформацію (переміщення) чутливого елементу, жорстко з’єднаного із осердям 6, і наступного перетворення переміщення осердя 6 в електричний сигнал ДТ-елементом. Класи точності 1,0 і 1,5.

Для вимірювання перепаду тисків розроблені мембранні дифманометри із ДТ-елементом, що здійснює перетворення переміщення мембранного блока в сигнал вимірювальної інформації. Класи точності перетворювачів перепаду тиску 1,0 і 1,5. Час установлення вихідних сигналів не більше 1 с.

Ємнісні вимірювальні перетворювачі тиску. Схема вимірювального перетворювача тиску, оснащеного ємнісним перетворювальним елементом, наведена на рис.5.10 в. Вимірювальний тиск сприймається металевою мембраною 1, що є рухливим електродом ємнісного перетворювального елемента. Нерухомий електрод 2 ізолюється від корпусу за допомогою кварцових ізоляторів. За залежністю ємності С перетворювального елемента від переміщення ? мембрани 1 вимірюється величина тиску.

Тензорезисторні вимірювальні перетворювачі тиску. Перетворювачі тиску цих видів являють собою деформаційний чутливий елемент, найчастіше мембрану, на яку наклеюються тензорезистори. В основу принципу роботи тензорезисторів покладено явище тензоефекту, суть якого полягає в зміні опору провідників і напівпровідників при їх деформації. Існує зв'язок між зміною опору тензорезистора і його деформацією.

Дістали поширення дротові і фольгові тензорезистори, що виготовляють із провідників типу манганіну, ніхрому, константану, а також напівпровідникові тензорезистори, що виготовляють із кремнію і германію р- і л-типів. Опір тензорезисторів, що виготовляють із провідників,   становить 30-500 Ом, а опір  напівпровідникових  тензорезисторів  від  5·10-2-10 кОм.

Удосконалювання технології виготовлення напівпровідникових тензорезисторів створило можливість виготовляти тензорезистори безпосередньо на кристалічному елементі, виконаному із кремнію або сапфіру. Пружні елементи кристалічних матеріалів мають пружні властивості, що наближаються до ідеальних. Класи точності тензорезисторних вимірювальних перетворювачів надлишкового тиску, розрідження і різниці тисків 0,6; 1,0; 1,5. Діапазони вимірювання: надлишкового тиску — від 0-10-3до 0-60 МПа; розрядження — від мінус 1-0 до мінус 10-0 кПа; абсолютного тиску  —  від  0-2,5 кПа  до  0-2,5 МПа;  різниці  тисків  —  від  0-1 кПа до 0-2,5МПа.

П'єзоелектричні вимірювальні перетворювачі тиску. В основу роботи цих перетворювачів покладене перетворення вимірювального тиску в зусилля за допомогою деформаційного чутливого елемента і наступного перетворення цього зусилля в сигнал вимірювальної інформації п'єзоелектричним перетворювальним елементом. Принцип дії п'єзоелектричного перетворювального елемента заснований на п'єзоелектричному ефекті, який спостерігається в ряді кристалів, таких, як кварц, турисин, титанат барію та ін. Суть п'єзоелектричного ефекту полягає в тому, що якщо кварцові пластини Х-зрізу піддати стиску силою N, то на її поверхні виникнуть заряди різних знаків. Значення заряду Q пов'язане із силою N співвідношенням

Q = k·N,                                            (5.9)

де k — п'єзоелектрична постійна, що не залежить від розміру пластини і визначається природою кристала.

На рис.5.10 показана схема п'єзоелектричного вимірювального перетворювача тиску. Вимірювальний тиск перетворюється мембраною 4 у зусилля, що викликає стиск стовпчиків кварцових пластин 2 діаметром 5 мм і товщиною 1 мм. Виникаючий електричний заряд Q через виводи 1 подається на електронний підсилювач 5, що має більший вхідний опір. Значення заряду пов'язане з вимірювальним тиском Р залежністю

Q = k·P·F,                                          (5.10)

де F — ефективна площа мембрани.

Внаслідок того що частота власних коливань системи «мембрана — кварцові пластини» становить десятки кілогерців, то вимірювальні перетворювачі цього типу мають високі динамічні характеристики, що обумовило їх широке застосування при контролі тиску в системах з процесами, що мають швидкий перебіг.

Подпись: 
Рисунок 5.10 - Схема п’єзоелектричного вимірювального перетворювача тиску
Чутливість п'єзо-електричних вимірю-вальних перетворювачів тиску може бути підвищена шляхом застосування декількох, паралельно з’єднаних кварцових пластин, і збільшення ефективної площі мембрани.

Верхні межі вимірювання п'єзоелектричних перетворювачів тиску із кварцовими чутливими елементами 2,5-100 МПа. Класи точності 1,5; 2,0. Через витікання заряду із кварцових пластин перетворювачі тисків цього типу не використовують для вимірювання статичних тисків.



загрузка...