§ 1.2. Перетворювачі, в яких вихідним сигналом с механічне переміщення (лінійне, обертальне)

Перетворювачі з механічним переміщенням на виході — це най давніші пристрої, створені для вимірювання фізичних величин, що недоступні для безпосереднього сприйняття органами почуттів лю­дини, наприклад, сонячний годинник, пісковий годинник, клепсидра (див. рис. В.1), електровимірювальний прилад Ріхмана (див. рис. В.9), електромагнітний прилад (див. рис. В.12) тощо.

Відцентровий перетворювач (рис. 1.8) використовується для одержання лінійного переміщення залежно від частоти обер­тання х=п вала. При обертанні вала 1 тягарі 3 під дією відцент­рових сил, прикладених до важелів 2, розходяться врізнобіч, і кіль­це 4, долаючи опір пружини 5, переміщується вгору, і це перемі­щення буде тим більшим, чим більша частота обертання п вала, тобто .

Подібний перетворювач було створено відомим шотландським винахідником Джейсом Уаттом для своєї парової машини подвій­ної дії.

Індукційно--механічний перетворювач зображено на рис. 1.9. По­стійний магніт 3 при обертанні індукує в мідному або алюмінієво­му диску 2 вихрові струми, взаємодія яких з обертовим магнітним полем створює обертальний момент, прикладений до цього диска

, (1.8)

де — коефіцієнт, що залежить від матеріалу та розмірів диска п — швидкість обертання магніту.

Поворот диска 2 закручує спіральну пружину 4, що створює протидіючий момент

,

де — жорсткість пружини; — кут повороту диска.

Усталене відхилення стрілки 1 буде при М_пр=М_об, звідки

тобто кут повороту диска лінійно залежить від частоти обертан­ня вала.

Цей перетворювач оснований на використанні так званого «до­сліду Араго» (його уперше здійснив французький фізик Домінік Франсуа Араго).

Поплавковий перетворювач (рис. 1.10) забезпечує переміщення штока при зміні рівня рідини . Поплавок виготовляється з матеріалу, густина якого менша, ніж густина рі­дини. У цьому перетворювачі вихідне переміщення .

Буйковий перетворювач (рис. 1.11) відрізняється від поплавкового наяв­ністю пружини 2, яка обмежує вихід­не переміщення, тому в цьому пере­творювачі пропорційне , але . Буйкові перетворювачі викорис­товуються при значних коливаннях рівня рідини.

Рис. 1.8

Рис. 1.9

Рис. 1.10

Рис. 1.11

Рис. 1.12

Рис. 1.13

Манометричний трубчастий перетворювач (рис. 1.12) становить зігнуту порожнисту трубку з пружного матеріалу, наприклад фос­фористої бронзи. Коли тиск х=р зростає, трубка частково роз­гинається, і рух її вільного кінця є вихідним параметром . Якщо тиск зменшується, то трубка завдяки своїй пружності повер­тається у початкове положення. При тому самому тиску х=р пе­реміщення буде більшим, якщо трубка матиме кілька витків.

На рис. 1.13 показано спіральний перетворювач; так званий -подібний перетворювач, який різниться тим, що вихідне пе­реміщення його прямолінійне — на рис. 1.14.

Сильфонний перетворювач (рис. 1.15)—це гофрований мета­левий стаканчик; переміщення його дна залежить від тиску газу або рідини х=р усередині стаканчика.

М

Рис. 1.14

Рис. 1.15

ембранний перетворювач (рис. 1.16) становить закріплену по периметру еластичну пластинку. Він призначений для перетво­рення розподіленог о зусилля на лінійне переміщення. Якщо тиск х=р газу або рідини зростає, то мембрана прогинається, і шток переміщується ( ). Найменшу жорсткість мають м'які мембра­ни, виготовлені з гуми, еластичних пластмас, прогумованої ткани­ни. М'які мембрани, як правило, оснащуються твердим центром (рис. 1.16, а). Металеві мембрани мають дуже велику жорсткість; Для її зменшення на мембрані роблять кільцеві гофри (рис. 1.16, б). Мембранний перетворювач можна приєднати до двох різних дже­рел тиску р₁ і р₂, тоді прогин мембрани залежатиме від різниці тисків р₁—р₂. Такий мембранний перетворювач (рис. 1.17) дістав назву диференціального («дифманометр»).

Рис. 1.16

Рис. 1.17

Принцип дії рідинних термометрів (рис. 1.18) базується на змі­ні об'єму рідини залежно від температури. Рідинний термометр складається з трьох основних частин: балона з термометричною рідиною, капілярної трубки та шкали. Є дві основні конструкції термометрів: паличні та з вкладеною шкалою.

Паличний термометр (рис. 1.18, а) складається з термобалона 1, з'єднаного з товстостінним капіляром 2. Шкала наноситься на зовнішню поверхню капіляра.

Термометр з вкладеною шкалою (рис. 1.18, б) також має термобалон 1, але капіляр 2 в ньому тонкостінний; шкалу 4 нанесено на пластинку з молочного скла, яку встановлено всередині скляного корпуса 3 позаду капіляра. Термометри з вкладеною шкалою менш точні, ніж паличні.

Як термометричну рідину найчастіше використовують ртуть: вона не змочує скло, а її термічний коефіцієнт розширення прак­тично незмінний, тому шкала ртутного термометра рівномірна. Про­те ртуть замерзає при температурі —38 °С, тому ртутні термометри застосовуються для вимірювання температур, не нижчих ніж —30 °С. Верхня границя вимірювання температур визначається температурою кипіння ртуті (+357 °С при нормальному атмосфер­ному тиску), але якщо капіляр над ртуттю заповнити азотом під тиском кілька десятків атмосфер, то таким термометром можна вимірювати температури до +500 °С.

П ри необхідності вимірювання температур нижчих—30°С вико­ристовуються органічні термометричні рідини: підфарбований ети­ловий спирт (до —130°С), пентан (до —190°С) та ін. Такі термо­метри менш точні, оскільки спирт або пентан змочує скло, а тер­мічний коефіцієнт їх розширення залежить від температури, тому характеристика спиртових та пентанових термометрів нелінійна. Підфарбований спирт використовується також у дешевих побуто­вих термометрах.

З

Рис. 1.18

агальні недоліки всіх рідинних термометрів — їхня крихкість, а також порівняно велика інерційність. З метою запобігання меха­нічним пошкодженням скляні рідинні термометри можна розміщу­вати у спеціальних захисних оправах (рис. 1.18, в).

Біметалевий перетворювач (рис. 1.19) виготовляється з двох металевих, з'єднаних між собою штабок, причому їхні темпера­турні коефіцієнти лінійного розширення неоднакові: один більший ( _б), інший — менший ( _м). Метал з великим температурним кое­фіцієнтом лінійного розширення називають термоактивним (ла­тунь, хромонікелева або молібденонікелева сталь), а метал з мен­шим коефіцієнтом — термопасивним (сплав заліза (64 %) з 36 % нікелю, який має назву «інвар» від лат. invariabilis— незмінний). При підвищенні температури х=t вільний кінець цього перетво­рювача згинається (у=t).

Для зменшення габаритних розмірів і збільшення чутливості біметалевим елементам можна надавати спіральної (рис. 1.20) або гвинтової форми.

Дилатометричний перетворювач (рис. 1.21) теж виготовляється з термоактивного і термопасивного металів; при підвищенні тем­ператури х=t

Рис. 1.19

Рис. 1.20

Рис. 1.21

термоактивний стакан видовжується, а внутрішній термопасивний стержень залишається незмінним, тому верхній кінець його переміщується вниз ( ). Термоактивним матеріалом у дилатометрах може бути латунь, алюміній, немагнітна сталь (75% заліза і 25% нікелю); термопаснвним — інвар, плавлений кварц. На виході дилатометра — велике зусилля. Дилатометри ви­користовуються для вимірювання температур до +550 °С.

Основним елементом швидкісних перетворювачів витрати ріди­ни (рис. 1.22, 1.23) є крильчатка або вертушка-турбінка, занурена у потік рідини. Частота обертання такої крильчатки (вертушки) пропорційна об'ємній втраті рідини за одиницю часу; тому повний кут ф повороту рухомої частини перетворювача (число її обертів протягом певного часу) є лінійною функцією кількості рідини, яка протікає через перетворювач за цей самий час.

Рис. 1.22 Рис. 1.23

Швидкісні перетворювачі з крильчаткою встановлюються лише на горизонтальних ділянках трубопроводу так, щоб вісь крильчат­ки була вертикальною (на рис. 1.22 — вид зверху). Перетворювачі з вертушкою можна встановлювати будь-яким способом: на гори­зонтальних, вертикальних або похилих ділянках трубопроводів.

Істотним недоліком швидкісних перетворювачів витрати рідини є залежність частоти обертання від в'язкості рідини, що протікає через перетворювач; тому вони застосовуються, як правило, лише для вимірювання витрати води. Для низьких температур води (до +30 °С) крильчатки і вертушки виготовляються з пластмас, для високих (до +90 °С) — з латуні.

Р

Рис. 1.24

отаметр (рис. 1.24) складається з грубки 1, що розширюється догори, й по­плавка 2, який має особливу форму: зни­зу— конус, вгорі — невеликий обідок з косими пазами. Густина матеріалу поплавка повинна трохи пер евищувати густину середовища (газ, рідина), що проходить через перетворювач. Потік газу або рідини піднімає поплавок па певну висоту. У місці розташування поплавка прохідний переріз трубки зменшується на площу поперечного перерізу поплавка . Згідно з рівнянням стаціонарного ру­ху ідеальної рідини (сформульовано відо­мим швейцарським математиком і фізи­ком, Почесним членом Петербурзької Академії наук Д. Бернуллі), при змен­шенні перерізу трубки швидкість газу або рідини в цьому місці зростає, а тиск зменшується. Тому тиск р₂ середовища над поплавком стає меншим, ніж тиск р₁ під ним (див. рис. 1,24).

На поплавок знизу діє зусилля

, (1.11)

яке зрівноважується зусиллям, що діє на нього згори

(1.12)

і вагою самого поплавка у вимірюваному середовищі

, (1.13)

де — об'єм поплавка; — густина матеріалу поплавка; — густина середовища.

При рівновазі сил, що діють на поплавок (нехтуючи тертям між поплавком і середовищем), дістанемо

. (1.14)

Якщо підставити значення та , то

, (1.15)

звідки

. (1.16)

При незмінності виграти перепад тиску р₁—р₂ в ротаметрі по­стійний. Якщо витрата змінюється, наприклад зростає, то збіль­шується й перепад тиску р₁—р₂. Починається підйом поплавка, розширюється кільцеподібний зазор між ним і стінками трубки, внаслідок чого перепад тиску змен­шується. Як тільки рівновага (1.16) відновиться, дальше піднімання по­плавка припиниться. Отже, кожному значенню витрати відповідатиме певна висота підйому поплавка . Скісні пази на поплавку роблять для того, щоб поплавок обер­тався при проходженні речовини по трубці і не торкався стінок.

М

Рис. 1.25

агнітоелектричний перетворю­вач зображено на рис. 1.25. Між по­люсами постійного магніту 1 (рис. 1.25, в) розміщено легку котушку 2, струм до якої підводиться через спі­ральні пружинки 3. Взаємодія стру­му котушки з магнітним полем по­стійного магніту створює обертовий момент, внаслідок чого котушка по­вертається за годинниковою стріл­кою, долаючи протидію пружинок. Якби котушка перебувала у рівно­мірному магнітному полі (див. рис. 1.25, а), кут повороту котушки був би нелінійно пов'язаний із силою струму в котушці х=і. Для усунення цього недоліку слід застосувати радіальне поле (рис. 1.25,6); тоді статична характеристика цього перетворювача буде лінійною: кут повороту котушки стане пропор­ційним силі струму х=і в ній. Перетворювач функціонує тільки на постійному струмі або на випрямленому (рис. 1.26).

Різновид магнітоелектричного перетворювача показано на рис. 1.27. У ньому немає протидіючих пружинок, але є дві котушки: одна створює обертальний момент, інша — протидіючий. Магнітне поле радіальне, нерівномірне. Кут повороту рухомої системи визначається відношенням струмів у котушках, тому цей вимірювальний перетворювач називається логометром (від грец. — відношення).

Магнітоелектричний перетворювач з лінійним переміщенням котушки показано на рис. 1.28. Залежно від напряму протікання струму по котушці вона притягується до постійного магніту (рис. 1.28, а) або відштовхується від нього.

Принцип дії електромагнітних перетворювачів ґрунтується на використанні магнітного поля струму.

Електромагнітний перетворювач для вимірювання електричного струму зображено на рис. 1.29: при проходженні струму по котуш­ці 1 феромагнітний якір 3 утягується всередину котушки, долаючи протидію спіральної пружинки 2. Кут повороту залежить від сили струму х=і. Перетворювач може працювати як на постійно­му струмі, так і на змінному.

Рис. 1.31

Рис. 1.28

Рис. 1.29

Рис. 1.26

Рис. 1.27

Рис. 1.30

Електромагнітний перетворювач соленоїдного типу показано на рис. 1.30, а: струм х=і (у цьому разі постійний) проходить по ко­тушці 1, створюючи у феромагнітному магнітопроводі 2 магнітний потік, що втягує якір 3 усередину котушки, долаючи його вагу (а іноді й протидію пружини). На рис. 1.30,6 наведено можливі зо­браження соленоїдного перетворювача на схемах; штриховими лі­ніями показано передачу механічного зусилля до регулюючого органу.

Соленоїдні електромагнітні перетворювачі можуть використо­вуватись і без зовнішнього феромагнітного осердя (на рис. 1.31, а — простий, на рис. 1.32 — диференціальний). Конфігурація магніт­ного поля котушки простого соленоїдного електромагнітного пере­творювача показана на рис. 1.31,6.

Електромагнітний перетворювач з поворотним якорем показано на рис. 1.33. Струм х=і, проходячи по котушці 3, створює у маг­нітопроводі магнітний потік, що притягує нижній кінець якоря 1 до осердя 2. Перетворювач, зображений на рис. 1.33, а, може пра­цювати тільки на постійному струмі; якщо по його котушці про пускати змінний струм, то в момент проходження магнітного по­току через нуль електромагнітне зусилля зникає, і якір починає вібрувати. Варіант електромагнітного перетворювача з поворотним якорем, придатного для роботи при змінному струмі, зображено на рис. 1.33,6. Полюс осердя розщеплюється, і на одну його час­тину нанизується мідне кільце 4. Частина Ф₂ загального магнітно­го потоку Ф, яка проходить через кільце, за законом Ленца від­ставатиме від іншої частини Ф₁, що минає кільце, тому потоки Ф₁ і Ф₂ проходитимуть через нуль неодночасно, і вібрації якоря не буде. Умовне зображення електромагнітних перетворювачів на схемах наведено на рис. 1.33, в.

Ще один варіант електромагнітного перетворювача для постійного струму — так званий кроковий електродвигун — показано на рис. 1.34. Статор цього двигуна шестиполюсний, ротор — чотири­полюсний. На кожній парі полюсів статора є обмотки (на рис. 1.34, а показано тільки першу котушку 1, яка складається з двох половин; аналогічну будову мають друга й третя котушки, не зо­бражені на рисунку). Якщо пропустити струм по першій котушці, то пара полюсів ротора зорієнтується по осі цієї котушки (як на рис. 1.34, а). Тепер, якщо відключити першу котушку і ввімкнути другу 3, ротор повернеться на 30° за годинниковою стрілкою і за­йме таке положення, як на рис. 1,34, б. Відмикання другої котушки і вмикання третьої 2 примусить ротор зробити ще один крок на 30° у тому самому напрямі і т. д. Вмикання котушок у порядку 1-2-З-1... забезпечить крокове обертання ротора у протилежному на­прямі.

Усі електромагнітні перетворювачі, робота яких залежите тільки від наявності струму і не залежить від його напряму, називають нейтральними. Електромагнітні перетворювачі, робота яких залежить як від значення сили струму, так і від напряму його в котушці, називають поляризованими.

Рис. 1.32

Рис. 1.33

Рис. 1.34

Рис. 1.35

Можливий варіант будови поляризованого електромагнітного перетворювача показано на рис. 1.35. Струм х=і, проходячи по котушці 1, створює в якорі 2 магнітний потік; якір намагнічується, і верхній його кінець відштовхується від однойменного полюса осердя 3 і притягується до протилежного. Так, якщо на верхній затискач котушки подати «плюс», то верхній кінець якоря стане полюсом N і переміститься праворуч; при подаванні «мінуса» на верхній затискач верхній кінець якоря переміститься ліворуч.