2 Обзор измерительных преобразователей

2.1 Механический преобразователь давления

Манометр (греч.manos — редкий, неплотный, разрежённый) — прибор, измеряющий давление жидкости или газа.

Принцип действия манометра основан на уравновешивании измеряемого давления силой упругой деформации трубчатой пружины или более чувствительной двухпластинчатой мембраны, один конец которой запаян в держатель, а другой через тягу связан с трибко-секторным механизмом, преобразующим линейное перемещение упругого чувствительного элемента в круговое движение показывающей стрелки.

Рисунок 2.1 – Зависимость деформации упругого элемента мембраны от величины

2.2 Тензорезистивный преобразователь давления

Тензорезистивный преобразователь (тензорезистор) представляет собой проводник, изменяющий свое сопротивление при деформации сжатия-растяжения. При деформации проводника изменяются его длина l и площадь поперечного сечения Q. Деформация кристаллической решетки приводит к изменению удельного сопротивления р. Эти изменения приводят к изменению сопротивления проводника:

 R=pl/Q. (2.1)

Этим свойством обладают в большей или меньшей степени все проводники. В настоящее время используютсяпроводниковые (фольговые, проволочные и пленочные) и полупроводниковые тензорезисторы (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 – Тензорезистивный преобразователь

Наилучшим отечественным материалом для изготовления проводниковых тензорезисторов, используемых при температурах ниже 180 °С, является константан. Зависимость сопротивления Rот относительной деформации Е с достаточной точностью описывается линейным двучленом:

 R= R₀ (1+S_ТE), (2.1)

 где R₀ - сопротивление тензорезистора без деформации;

S_т — тензочувствительность материала.

Тензочувствительностъ константана лежит в пределах 2,0—2,1. Нелинейность функции преобразования не превышает 1%.

Наиболее часто тензорезисторные преобразователи включаются в схему неравновесного моста (рисунок 2.3).

Если сопротивление нагрузки R_ндостаточно велико (режим холостого хода), то выходное напряжение моста:

 

U_х=UR1/(R1+R2)-UR3/(R3+R4)=

= U[(R1R4-R2-R3)/(R1+R2)(R3+R4)], (2.2)

 

 где U— напряжение питания. В качестве R1 и R2 включаются одинаковые тензорезисторы.

Рисунок 2.3 – Схемы включения

При отсутствии измеряемой деформации их сопротивления равны: R10=R20=R0.  Кроме того, обычно выбирают R3 = R4. В этом случае, когда деформация тензорезистора отсутствует (е = 0), Ux= 0.

Мостовая цепь является дифференциальной, следовательно, в ней компенсируются аддитивные погрешности.

2.3 Магнитоупругий преобразователь давления

Принцип действия магнитоупругих преобразователей основан на изменении магнитной проницаемости µ ферромагнитных тел в зависимости от возникающих в них механических напряжений σ (магнитоупругий эффект), обусловленный взаимодействием на ферромагнитные тела механических сил Р (растягивающие, сжимающие, изгибающие, скручивающие).

Магнитоупругий эффект неоднозначен. Для одного и того же материала под действием механического напряжения магнитная проницаемость в слабых полях может возрастать, в то время как в сильных полях – падать.

Работа магнитоупругого преобразователя основана на магнитоупругом эффекте. Как известно, ферромагнитные вещества имеют области самопроизвольного намагничивания (домены). В не намагниченном состоянии вещества домены ориентированы хаотично и магнитные моменты отдельных доменов компенсируют друг друга. При помещении ферромагнитного тела в магнитное поле домены ориентируются в его направления. В слабом поле ориентация частичная; в сильном поле при магнитном насыщении материала ориентируются все домены. Ориентация доменов вызывает увеличение магнитной индукции, характерное для ферромагнитных материалов.

Если на намагниченный образец ферромагнитного тела воздействовать внешней механической силой, то тело деформируется, домены изменят свою ориентацию и индукция в материале изменяется. Явление имеет упругий характер. Если силу снять, то индукция примет прежнее значение. Поскольку абсолютная магнитная проницаемость вещества

 

μ_а=μ_rμ₀=B/H (2.3)

 

то при заданной напряженности поля H изменение индукции В эквивалентно изменению магнитной проницаемости.

Изменение индукции или магнитной проницаемости в ферромагнитных телах при действии на них силы называется магнитоупругим эффектом.

  

 

Рисунок 2.4 – Схема включения магниоупругого преобразователя

Первичная обмотка 1 питается от феррорезонансного стабилизатора 2. На выходе у ненагруженного преобразователя имеется некоторое остаточное напряжение. Для его компенсации в цепь включен резистор R, на который подается напряжение через фазосдвигающую цепочку 3, Напряжение питания преобразователя выбирается так, чтобы режим его работы был близок к режиму насыщения магнитной цепи. При этом на выходе преобразователя имеется напряжение верхних гармоник значительной величины. Для зашиты от гармоник схема содержит фильтр верхних частот 4. Напряжение выпрямляется двухполупериодным выпрямителем 5 и подается на магнитоэлектрический измерительный механизм 6. Фильтр нижних частот 7 служит для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. При измерении быстропеременных процессов в качестве измерительного механизма включается гальванометр свeтолучевого осциллографа.

Магнитоупругие трансформаторные преобразователи могут работать также с автоматическими потенциометрами переменного тока.