Первичные изм. преобразователи. Часть 2
.pdf
подогревом и плоским подвижным анодом А,
Рис.5.1.1. Электронно-механические датчики перемещения:
а- с продольным управлением; б - с зондовым управлением
укрепленным на стержне 1, который перемещается с упругим стеклянным сильфоном 2, впаянным в стенку баллона лампы 3. Электроды — катод и анод — расположены параллельно друг другу.
Изменение расстояния между электродами при постоянном напряжении на них влечет за собой соответствующее изменение анодного тока лампы. Наружный конец стержня 1 соединяется с исследуемым объектом.
Полагая, что при малых перемещениях анод остается параллельным катоду, можно написать формулу чувствительности по току для подобного двухэлектродного датчика:
|
Si = |
2 AsU a3 / 2 |
, |
(5.1.3) |
|
l 3 |
|||
|
|
|
|
|
гдеА — |
постоянная, равная 2,34*10-6; |
|
||
S — рабочая поверхность накаленного катода, см2; |
|
|||
Ua — |
анодное напряжение, В; |
|
|
|
l — |
расстояние между электродами, см. |
|
||
Чувствительность по току у этих датчиков при относительно невысоких анодных напряжениях и сравнительно малом внутреннем сопротивлении получается довольно высокой, достигающей 100 мА на миллиметр смещения анода. Эти датчики имеют нелинейную характеристику.
На рис.5.1.1, б показана схема электронно-механического датчика перемещения с зондовым управлением. Действие этого датчика основано на
160
перемещении между двумя плоскими анодами А1 и А2 тонкого накаленного катода К непосредственного накала. Электроды А1 и А2 присоединяются к анодному источнику питания. Анодный ток сильно изменяется при перемещении катода К относительно электродов А1 и А2. В некоторых конструкциях подобных электронных датчиков движение катода заменяют движением электродов А1 и А2, как это показано на приведенном рисунке.
Эти датчики отличаются значительной чувствительностью к напряжению, достигающей десятых доли вольта на микрон.
Особый интерес для виброизмерительной техники представляют также электронно-механические датчики ускорений, так называемые акселетроны.
Их действие основано на перемещении подвижного электрода лампы под действием инерционной силы. Акселетроны изготовляются с внутренней и внешней инерционной массой. Он состоит из катода К подогревного типа и двух анодов А1 и А2, укрепленных на плоских пружинах 1 и 2. В качестве инерционной массы служат аноды А1 и А2 механотрона. При ускоренном движении датчика в направлении, показанном стрелкой, аноды смещаются, принимая положение, показанное пунктиром. Датчики ускорений такого типа выпускаются электровакуумной промышленностью ряда стран.
Описанные датчики могут получить широкое распространение для непосредственной записи ускорений с помощью вибраторного осциллографа без усиления или с относительно небольшим усилением сигнала.
На рис 5.1.2, б показана схема акселетрона с внешней инерционной массой 3, укрепленной на подвижном стержне 2 механотрона 1.
Вкачестве механотрона для такого датчика ускорений может быть использована любая электронная лампа внешнего механического управления.
На рис. 5.1.3 приведена схема ионного датчика ускорений - акселетрона - с внутренней инерционной массой.
Вэтом датчике используется затрудненный тлеющий разряд, происходящий между холодным катодом К и анодами А1 и А2, укрепленными на пружинах 1 и 2. Края катода К прикрыты слоем изолятора
161
с целью предотвращения огибающего разряда. Действие такого датчика аналогично электронному акселетрону, представленному на рис.5.1.2, а.
Характерной особенностью ионных датчиков ускорений является возможность осуществлять в них внутреннее успокоение за счет использования вязкости газа, находящегося внутри лампы.
Погрешности электронных и ионных датчиков относительно невелики и вызываются нестабильностью источников питания, старением катодов и механическими деформациями электродов при сотрясениях.
Советскими учеными и конструкторами разработаны высокочувствительные электронные датчики ускорений — акселетроны.
По внешнему виду их трудно отличить от обычной электронной лампы, применяющейся в радиоприемниках и телевизорах. На рис.5.1.4 показаны образцы электронных миниатюрных датчиков ускорений. Их вес не превышает нескольких граммов.
Рис.5.1.2. Принципиальные схемы электронно-механических датчиков
ускорений:
а - с внутренней инерционной массой; б - с внешней инерционной массой
162
Рис.5.1.3. Принципиальная схема ионного датчика
ускорений с внутренней инерционной массой
Рис.51.4. Электронные датчики ускорений - акселетроны
5.2. Ионизационные (радиоактивные) датчики
Ионизационные (радиоактивные) датчики получили широкое применение в измерительной технике. Принципиальная схема ионизационного датчика показана на рис.5.2.1.
Камера К, наполненная газом, подвергается ионизации под действием того или иного агента. В качестве ионизирующих агентов используются в основном лучи радиоактивных веществ (α-, β- и γ-лучи), а также
163
рентгеновские лучи.
Если к электродам Э подвести напряжение, то в камере К возникнет упорядоченное движение электронов и положительных ионов ионизированного газа. Другими словами, в камере появится ионизационный ток. Этот ток зависит от многих факторов: напряжения, подвижности ионов, плотности и состава газовой среды, формы и габаритных размеров камеры и электродов, свойств ионизатора.
Сохраняя постоянными ряд факторов, определяющих значение ионизационного тока, выделяют один переменный фактор, зависящий от измеряемой неэлектрической величины, с тем, чтобы ионизационный ток оставался функцией только этой измеряемой величины.
Измерение малых перемещений и вибраций с помощью ионизационных датчиков производится следующим образом. Две миниатюрные ионизационные камеры включаются в плечи мостовой схемы и посредством крупинок радиоактивного вещества подвергаются ионизации с одинаковой интенсивностью. При этом одна камера остается неподвижной, а другая перемещается вместе с объектом, вследствие чего в мостике появляется ток, пропорциональный перемещению[14].
Рис.5.2.1. Принцип устройства ионизационного датчика для измерения малых перемещений: R- и R+ - ионизационные сопротивления; ЭВ - электронный вольтметр; r- и r+ - омические сопротивления; Р- и Р+ - разности потенциалов источника питания
164
Рис. 5.2.2. Схема ионизационного датчика
В других конструкциях ионизационных датчиков используется изменение ионизационных сопротивлений при изменении интенсивности радиоактивного излучения. На рис. 5.2.2 показана схема такого датчика. В мостике Уитстона в качестве двух плеч использованы ионизационные сопротивления, а в диагональ моста включен чувствительный электронный вольтметр. Как показывают опыты, перемещение одной из пластин ионизационного сопротивления на 1 мк создает такое изменение величины этого сопротивления, что стрелка выходного прибора перемещается на 15 мм. Другими словами, механическое перемещение здесь усиливается в
15 000 раз.
Порог чувствительности такого устройства составляет (2—3)×10 -6 см. Получение подобной чувствительности другими методами едва ли достижимо или, по крайней мере, весьма затруднительно. Использование в схеме двух ионизационных сопротивлений (одно из которых служит преобразователем перемещения в изменение сопротивления, а другое остается неизменным) преследует цель исключить влияние внешних факторов и поляризации.
Такие подобные им ионизационные (радиоактивные) датчики по мере их
165
усовершенствования |
найдут |
более |
широкое |
применение |
в |
виброизмерительной технике.
Вопросы для самоконтроля по главе 5
1.На каких принципах основано действие электронных и ионных датчиков?
2.Каким образом рассчитывается чувствительность электронно-механического датчика к току и напряжению?
3.Объясните принцип действия электронно-механического датчика перемещений, датчика ускорения.
4.Какие принципы использованы при конструировании ионизационных (радиоактивных) датчиков? Приведите схему ионизационного датчика.
166
ГЛАВА 6. ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НА ОСНОВЕ ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЙ И ИЗМЕРИТЕЛИ ДАВЛЕНИЯ
6.1. Расходомеры
Термин расход обозначает перемещение текущей среды-жидкости или газа. Расходомеры - это преобразователи, которые используются для измерения потока. Они регистрируют скорость и расход жидкого или газообразного вещества за заданный период времени.
1.Массовый расход представляет собой массу вещества, протекающего в единицу времени, и измеряется, например, в кг·с-1.
2.Объемный расход, м3·с-1, равен объему вещества, протекающего в единицу времени.
3.Скорость потока измеряется в м·с-1.
Вбольшинстве измерений речь идет об объемном расходе, массовый расход может быть определен путем вычислений, хотя при этом следует учитывать изменение давления, плотности, температуры и др. (особенно при измерениях расхода газа). По аналогии измерения скорости потока служат основой для определения массового или объемного расхода.
Механические средства измерения расхода.
На практике известно довольно много методов определения расхода. Простейшими и поэтому наиболее распространенными из них являются методы с использованием механических чувствительных элементов, в которых поток перемещает или вращает твердое тело.
167
Рис. 6.1.1. Типовые методы механического измерения расхода
Таким образом это перемещение или вращение тела оказывается пропорциональным расходу [1].
На рис. 6.1.1 показаны основные механические методы измерения расхода. В частности, на рис. 6.1.1, а изображена нагруженная пружиной и подвешенная на шарнире лопасть, которая отклоняется, открывая отверстие, когда текучая среда проходит через преобразователь. Чем больше расход, тем сильнее открывается отверстие, т.е. тем больше отклоняется лопасть.
На рис. 6.1.1,б показан преобразователь, в котором используется тот же самый метод, но с ограниченной пружинной заглушкой. Возможны и другие разновидности воплощения этого метода. В преобразователе на рис. 6.1.1, в реализован метод пропеллера, вращающегося при протекании вещества. Причем частота вращения пропеллера пропорциональна расходу этого вещества.
Наиболее распространенным механическим преобразователем расхода является турбинный расходомер с вращающимся пропеллером (или в данном случае турбинкой). На рис. 6.1.2 представлены основные части
168
типового турбинного расходомера, в котором турбинка устанавливается в потоке вещества с помощью подшипников [2].
Рис. 6.1.2. Турбинный расходомер, в котором турбинка вращается под
напором потока жидкости
В общем случае лопасти турбинки выполняются из ферромагнитного материала. Поэтому катушка, укрепленная на корпусе расходомера, используется для определения частоты вращения турбинки. Электромагнитный чувствительный элемент создает эффект торможения турбины, что при низких скоростях протекания вещества может сказываться на угловой скорости вращения турбинки. При измерениях малых расходов применяются другие конструкции чувствительных элементов, например электрооптические.
При точных измерениях важно, чтобы не происходило завихрения протекающего вещества, поскольку это напрямую сказывается на частоте вращения турбинки. Поэтому спрямляющие поток лопатки устанавливаются обычно на входе расходомера. Эти лопатки формируют также одну из опорных точек турбинки. Конечно, возможны и существенно более простые конструкции расходомеров, когда точность измерений не существенна, т. е. если торможение и завихрения потока можно не учитывать.
169