2.3.3 Деформационные измерительные преобразователи давления, основанные на методе прямого преобразования

 

Для преобразования перемещения чувствительного элемента в сигнал измерительной информации широко применяются индуктивные,  дифференциально-трансформаторные, емкостные,  тензорезисторные и другие преобразовательные элементы. 

Для преобразования усилия, развиваемого чувствительным элементом, в сигнал измерительной информации используются пьезоэлектрические преобразовательные элементы.

На рисунке 2.7 представлена схема дифференциально-трансформаторного (ДТ) измерительного преобразователя  давления.

 

Рисунок 2.7 – Дифференциально-трансформаторный измерительный

                                               преобразователь давления

 

Обозначения на схеме: 1 – деформационный чувствительный элемент, 2 – деформационно-трансформаторный преобразовательный элемент, 3 – тяга, 4,5 – секции вторичной обмотки, 6 – подвижный сердечник, 7 – первичная обмотка.

К выходу вторичной обмотки подключен делитель (R1,R2), который используется при настройке преобразователя на заданный диапазон.

Формирование выходного сигнала: при протекании по первичной обмотке токаI1 возникают магнитные потоки, пронизывающие обе секции вторичной обмотки и индуцирующие в них ЭДС е1 и е2 . Значения этих ЭДС связаны с взаимными индуктивностями М1 и М2

                                   е1= 2fI1M1,

                                   е2= 2fI1M2,    

где  f  - частота тока I1.

При встречном включении обмоток секций 4 и 5

 

                            Е = е1 - е2 = 2fI1(M1-M2) = 2fI1M,

 

где М -  взаимная индуктивность между первичной и вторичной обмотками.

Для унифицированного ДТ- преобразователя, имеющего во вторичной  обмотке сопротивленияR1 иR2, выходной  сигналVвых определяется взаимной индуктивностью Мвых между первичной обмоткой и выходной цепью

                                     Vвых=2fI1Мвых.

Мвых связано с перемещением δ сердечника 6 зависимостью

                          

                                          ,                                           (2.8)      

                       

где    Ммах – максимальное значение взаимной индуктивности между первичной обмоткой и выходной цепью, соответствующее максимальному перемещению сердечника.

Отсюдастатическая характеристика ДТ –преобразователя

                                             ,                                     (2.9)                    

 

δ мах=1,6; 2,5; 4 мм,

Vвых= -1 +1 В.

                                                           δ = кР,                                             (2.10)

            

где δ – деформация (перемещение) ЧЭ;

к -  коэффициент преобразования.

Класс точности ДТ – преобразователя    1,0 – 1,5 .

 

2.3.4 Пьезоэлектрические измерительные преобразователи давления

 

Измеряемое  давление преобразуется в  усилие посредством деформации ЧЭ. Деформация ЧЭ преобразуется в сигнал измерительной информации с помощью пьезоэлектрического элемента.

Принцип действия пьезоэлектрического преобразовательного элемента основан на пьезоэффекте, наблюдаемом у ряда кристаллов: кварц , турмалин, барий и другие.

Пьезо-эффект: если кварцевые пластины Х – среза  подвергнуть сжатию силойN, то на ее поверхности возникнут заряды разных знаков. Значение зарядаQсвязано с силойNсоотношением

 

                                                         Q=kN,               

 где k – пьезоэлектрическая постоянная,  не зависит от размера пластины и определяется  природой  кристалла.

 Для кварца   k=2,110Кл/Н.

На рисунке 2.8 представлена схема пьезоэлектрического преобразователя давления.

 

                  Рисунок  2.8 -  Пьезоэлектрический измерительный

                                                 преобразователь  давления

             

Обозначения на рисунке 2.8: 1 – мембрана, 2 – кварцевая пластина (5 мм х 1 мм), 3 – электронный усилитель (R вх = 10Ом).

 

                                                Q =kfP,                                                    (2.11)

 

где     P –  измеряемое давление;

F-   эффективная площадь мембраны.

Частота колебаний системы «мембрана – кварцевые пластины» равна десяткам килогерц, поэтому измерительные преобразователи этого типа обладают высокими динамическими характеристиками, что обуславливает их широкое применение при контроле давления всистемах с быстропротекающими процессами.

Верхние пределы измерений:  2,5 – 100 Мпа.

Класс точности:  1,5  и 2,0.