Принцип действия механотронных приборов

В общем виде прибор с механотронным преобразователем состоит из следующих основных элементов

1 – измеряемая деталь

2 – преобразователь

3 – измерительная схема (преобразование сигнала)

4 – показывающее устройство

5 – командное устройство

6 – блок питания (поддержание стабильного напряжения)

Нашей промышленностью выпускается несколько типов механотронов:

Рис. Схема механотрона диода.

Цифрами обозначено:

1 – стеклянный болон 2 – измерительный стержень 3 – мембрана

4 – анод 5 – катод подогревный Дельта – номинальный зазор

6 – спираль подогрева катода

7 – металлическая втулка (служит для крепления или установки лампы в корпусе прибора)

8 – растяжка, обеспечивает перемещение измерительного стержня в определенном направлении 9 – измеряемый объект (деталь)

Механотрон диод имеет нелинейную характеристику:

Рис. Характеристика механотрона диода

Uа – анодное напряжение А – постоянный коэф. Sк – площадь катода.

Исследования показали, что улучшить характеристикуку можно если применить спец измерительные схемы и определенные значения сопротивлений анодной нагрузки лампы. Нелинейность характеристики

A= 2,33 * 10^-6

Зависит от отношения анодной нагрузки Rа/Ri (Ri – внутреннее сопротивление механотрона). При некотором оптимальном значении Rа опт характеристикака становится линейной.

Установлено что для мостовой симметричной схемы значение Ra_ОПТИМ связано с внутренним сопротивлением следующим образом: Для мостовой симметричной схемы значение Ra_ОПТИМ=(2…3,5)Ri

При определенном значении Ua и некотором оптимальном расстоянии не зависит от перемещения. Этот режим работы лампы называется режимом насыщения. Определенному значению анодного напряжения Ua соответствует и свой . Для нормальной работы механотрона необходимо чтобы в процессе измерений расстояние между анодом и катодом никогда не достигало значений .

Для уменьшения влияния на результаты измерений колебаний питающего напряжения, колебаний температуры, а так же для повышения чувствительности применяют, как правило, двойные диоды. Наибольшее распространение получили двойные диоды типа 6МХ-1С. Схема этого двойного диода выглядит следующим образом

Рис. Схема механотрона с двойным диодом

1 – стеклянный болон 2 – измерительный стержень 3 – мембрана

4 – сдвоенный анод 5 – сдвоенный катод 6 – нить накаливания катода

7 – втулка (кольцо) 8 – растяжка (штифт) 9 – измеряемая деталь

Характеристики:

Диапазон перемещений +/-100мкм, измерительное усилие +/-10сН, вариация показаний 0,04мкм, чувствительность по току 30 мкА/мкм.

При выборе показывающего прибора необходимо стремиться к тому, чтобы его сопротивление было равно входному сопротивлению всего моста.

Недостатка:

1. Важное значение для точности имеет стабилизация напряжения их питания. Особенно чувствителен преобразователь к колебаниям анодного напряжения, в меньшей степени к колебаниям напряжения накала. Для уменьшения применяют высокоточные стабилизаторы напряжения.

2. Значительный дрейф нуля, вызванный изменением тока эмиссии катода. Для его снижения применяют пониженные до 4-5В анодные напряжения.

3. Высокая чувствительность механотронов к температурным изменениям, что требует специальной защиты наружных частей механотронов от потоков охлажденного или нагретого воздуха.

4. Высокая чувствительность к ударам и вибрациям, требующего промежуточного звена передачи

2. Исходными данными при расчете механотрона обычно являются его чувствительность по току и напряжению к измеряемой электрической величине и диапазон измерений. В ТЗ на разработку механотрона часто оговаривается так же наибольшая величина анодного напряжения, частота собственных колебаний кинематической системы, время готовности к работе и габаритные размеры прибора. Расчет механотрона состоит в определении основных размеров электродной и кинематической систем по заданным параметрам.

Решение этой задачи, как правило, является неоднозначным. В связи с этим при разработке механотрона некоторые из размеров выбирают произвольно из конструктивных и габаритных соображений, а остальные рассчитывают.

3. Высокая чувствительность диодных и триодных механотронов продольного и поперечного управления легче всего обеспечивается при наличии плоскопараллельной системы электродов. В этом случае целесообразно применение оксидных катодов косвенного накала, поперечное сечение которых имеет форму вытянутого прямоугольника или овала. Большая активная поверхность этих катодов наилучшим образом используется в плоскопараллельной системе электродов. При монтаже механотрона более широкие плоские стороны катода располагаются против анодов, при чем межэлектродные расстояния могут быть сделаны очень малыми. Это позволяет получить высокую чувствительность и высокую эффективность использования анодного тока механотронной системы. Следует отметить, что механотронные системы поперечного управления, уступающие по чувствительность механотронам продольного управления целесообразно применять главным образом в широкодиапазонных механотронных преобразователях, т.к. эти системы обеспечивают высокую линейность выходной характеристики в очень широких пределах измерений.

4. В конструкциях электродных систем механотронов должны предусматриваться элементы, ограничивающие перемещение подвижных электродов, особенно важна роль подвижных элементов в механотронах продольного управления. В этих механотронах ограничители предотвращают короткие замыкания подвижных и неподвижных электродов. Не позволяют механотрону работать в режиме насыщения, а так же предохраняют неподвижные электроды (катоды и сетки) от механического повреждения их перемещающимися электродами.

5. С целью снижения тепловых нестабильностей и погрешностей преобразователя необходимо по возможности уменьшать мощность, потребляемую накальной цепью механотрона, а так же проектировать кинематическую и электродную системы по возможности более компактными, снижать температуру деталей этих узлов и изготавливать их из материалов с малыми коэффициентами термического или температурного расширения.

6. В качестве материала упругих элементов целесообразно применять специальные сплавы, обладающие малыми температурными коэффициентам модуля упругости.

7. При разработке конструкции кинематической системы механотрона необходимо учитывать следующее:

• Перегрузки механотронов более чем в 1,5 раза превосходящие номинальную нагрузку являются опасными, т.к. могут привести к значительной остаточной деформации упругого элемента

• С целью уменьшения механического гистерезиса упругих элементов механотронов, в качестве материалов для них следует применять специальные сплавы, обладающие относительно малым механическим гистерезисом.

• Конструкция механотрона должна обеспечивать жесткое соединение всех деталей, входящих в кинематическую систему, при этом жесткость соединений и жесткость самих деталей должны в несколько раз превышать жесткость упругого элемента.

8. При разработке механотронов, как правило, следует повышать резонансную частоту его кинематической системы (чтобы увеличить динамические характеристики и тем самым повысить производительность), что достигается обычно уменьшением массы и размеров его деталей, а так же возможным повышением ее жесткости.

Исключение составляют механотроны, предназначенные для измерения амплитуд вибраций (амплитудомеры) и скорости вибрирующих объектов (велосиметры).

9. В конструкции механотронов должны быть предусмотрены специальные посадочные площадки, кольца и тому подобные элементы, обеспечивающие жесткое и прочное крепление преобразователя в измерительном приборе.

10.Требования, предъявляемые к конструкции механотрона, а так же условия работы последнего (температура и влажность окружающей среды, уровень внешних вибраций и перегрузок и др. определяют выбор материалов для узлов и деталей прибора)