Пьезоэлектрические преобразователи

Пьезоэлектрические преобразователи основаны на использовании прямого пьезоэлектрического эффекта, заключающегося в появлении электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов (кварца, сегнетовой соли и др.) под влиянием механических напряжений.

Из кристалла кварца вырезается пластинка, грани которой должны быть перпендикулярны оптической оси 0z, механической оси 0у и электрической оси 0х кристалла (рис. 4.1.28).

При воздействии на пластину усилия F_х вдоль электрической оси на гранях х появляются заряды , где k – пьезоэлектрический коэффициент (модуль). При воздействии на пластину усилия F_у вдоль механической оси на тех же гранях х появляются заряды , где а и b – размеры граней пластины. Механическое воздействие на пластину вдоль оптической оси не вызывает появление зарядов.

Устройство и принцип действия пьезоэлектрического преобразователя для измерения давления газа показаны на рис. 4.1.29. Давление р через металлическую мембрану 1 передается на зажатые между металлическими прокладками 2 кварцевые пластинки 3. Шарик 4 служит для равномерного распределения давления по поверхности кварцевых пластинок. Средняя прокладка соединена с выводом 5, проходящим через втулку из хорошего изоляционного материала. При воздействии давления р между выводом 5 и корпусом преобразователя возникает разность потенциалов , где Q – заряд, возникающий на пластинке кварца; С_П – емкость преобразователя; С₀ - емкость проводов и входной цепи прибора, измеряющего разность потенциалов; k - пьезоэлектрический модуль кварца; s – площадь поверхности мембраны, подверженная давлению. По разности потенциалов U судят о значении давления р.

В пьезоэлектрических преобразователях главным образом применяется кварц, у которого пьезоэлектрические свойства сочетаются с высокой механической прочностью и высокими изоляционными свойствами, а также с независимостью пьезоэлектрической характеристики от температуры в широких пределах. Размеры пластин и их число выбираются исходя из конструктивных соображений и требуемого значения зарядов. Заряд, возникающий в пьезоэлектрическом преобразователе, «стекает» по изоляции и входной цепи измерительного прибора. Поэтому приборы, измеряющие разность потенциалов на пьезоэлектрических преобразователях, должны иметь высокое входное сопротивление (10¹² – 10¹⁵ Ом), что практически обеспечивается применением электронных усилителей с высоким входным сопротивлением. Из-за «стекания» заряда эти преобразователи используются для измерения только быстро изменяющихся величин (переменных усилий, давлений, параметров вибраций, ускорений и т.д.).

Тема 4.2 Правила выбора электроизмерительных приборов

Студент должен

знать:

• правила выбора электроизмерительных приборов;

уметь:

• выбирать необходимые приборы по каталогам.

Требования к выбору электроизмерительных приборов. Основная справочная литература. Правила работы со справочными данными. Порядок выбора электроизмерительных приборов.

Материал для изучения

Электрические измерения на судах выполняют с помощью щитовых и пультовых электроизмерительных приборов, устанавливаемых на главных (ГРЩ) и вторичных распределительных щитах, на пультах управления, а также и непосредственно у потребителей. В отдельных случаях для измерения тех или иных параметров сетей используют переносные приборы, которые служат также и для проверки щитовых (пультовых) приборов. Состав электроизмерительных приборов устанавливается проектантом судна в соответствии с рекомендациями Регистра и зависит от типа и назначения судна, рода тока, специфики эксплуатации, мощности генераторов и потребителей (параллельная работа генераторов, необходимость контроля напряжения и тока и других параметров потребителей и т.д.). Измерительные приборы группируются на секциях (панелях) ГРЩ в зависимости от их принадлежности к тем или иным энергетическим объектам (панель генератора № 1, распределительная панель, панель зарядного устройства и т.д.). Показания приборов, установленных на ГРЩ и у наиболее ответственных потребителей (гребные установки, шпили, крановые приводы и т.д.), являются основной информацией, характеризующей ход эксплуатации и состояние судового электрооборудования, и систематически записываются судовым электриком в вахтенный электротехнический журнал.

На каждой генераторной панели судового ГРЩ постоянного тока должны быть установлены амперметр и вольтметр. В случае компаундных генераторов амперметр подключается к полюсу, противоположному тому, в который включается последовательная обмотка генератора. Для удобства контроля за напряжение при включении генераторов на параллельную работу вольтметр должен иметь переключатель, позволяющий измерять напряжение шин и включаемого генератора. Желательно использование двухстрелочных вольтметров.

На каждой генераторной панели судового ГРЩ переменного тока должны быть установлены амперметр и вольтметр с переключениями на три фазы, а также частотомер и ваттметр. В цепь возбуждения генератора переменного тока (кроме систем с самовозбуждением) рекомендуется включать амперметр. Если схемой предусматривается параллельная работа генераторов трехфазного тока, должно быть установлено синхронизирующее устройство или приборы для включения генераторов на параллельную работу.

На распределительных устройствах гребных установок для генераторов переменного тока должны быть включены следующие измерительные приборы: амперметры в цепь главного тока и в цепь возбуждения, вольтметр, ваттметр. К каждому гребному электродвигателю переменного тока должны быть подключены амперметры, как в цепь главного тока, так и в цепь возбуждения.

На распределительных устройствах гребных установок для генераторов постоянного тока должны быть включены следующие измерительные приборы: амперметры в цепи главного тока (один на каждый контур главного тока) и в цепи возбуждения, вольтметры на зажимах генератора и в цепи возбуждения. Кроме того, иногда могут быть установлены также счетчики электроэнергии и амперметр возбудителя. В цепь каждого гребного электродвигателя постоянного тока должны быть включены: амперметры в цепи главного тока (один на каждый контур главного тока) и в цепи возбуждения, вольтметры на зажимах электродвигателя и в цепи возбуждения, а также в отдельных случаях может быть предусмотрена установка счетчика электроэнергии.

Для контроля за работой механизмов ответственного назначения и грузовых устройств на распределительном щите или возле мест расположения механизмов должны размещаться амперметры.

Точная номенклатура приборов устанавливается техническим проектом судна с учетом обеспечения постоянного и непосредственного контроля за характерными величинами, влияющими на работу судового электрооборудования.

Все катушки напряжения измерительных приборов должны иметь защиту плавкими предохранителями, установленными как можно ближе к местам присоединения их к источнику питания.

Щитовые электроизмерительные приборы должны иметь класс точности не ниже 2,5. В системах постоянного тока рекомендуется применять приборы класса точности не ниже 1,5. В качестве контрольных следует использовать приборы класса точности не ниже 1,0. Класс точности шунтов, измерительных трансформаторов тока и напряжения должен соответствовать классу точности измерительных приборов, к ним подключаемых.

Рекомендуется применять измерительные приборы с пределами шкалы не менее следующих: вольтметры – 120 % номинального напряжения, амперметры для генераторов, не работающих параллельно, и потребителей – 130 % номинального тока, амперметры для генераторов, работающих параллельно, - 130 % номинального тока нагрузки и 15 % номинального обратного тока; ваттметры для генераторов, не работающих параллельно, - 130 % номинальной мощности, а работающих параллельно – 130 % мощности нагрузки и 15 % обратной мощности; частотомеры - ±10 % номинальной частоты.

Номинальные напряжения, токи и мощности на шкалах электроизмерительных приборов, установленных в цепях источников электрической энергии и ответственных потребителей, должны быть обозначены хорошо различимыми отметками.

Амперметры генераторов со смешанным возбуждением, предназначенных для параллельной работы, должны быть установлены в цепи полюса, не соединенного с уравнительным проводом.

Выбор приборов в зависимости от класса точности. При выборе электроизмерительных приборов в зависимости от класса точности учитывают назначение прибора и требуемую при измерении точность. Классы точности щитовых приборов – 1,0; 1,5; 2,5, а переносных 1,0 и 0,5. Для обычных измерений в цепях постоянного и переменного тока вполне достаточны относительно дешевые и прочные щитовые приборы с классом точности до 1,5, а в цепях переменного тока – даже и до 2,5. При опытных и наладочных работах, а также при ответственных испытаниях применяются более точные переносные приборы – с классом точности 0,5. При включении амперметров совместно с шунтами или трансформаторами тока, а вольтметров совместно с добавочными сопротивлениями или трансформаторами напряжения класс точности шунтов, добавочных сопротивлений, трансформаторов тока и напряжения должен быть, как правило, выше не менее чем на одну ступень. Это объясняется тем, что погрешности приборов суммируются с погрешностями совместно с ними включенных дополнительных устройств.

Выбор приборов в зависимости от размеров лицевой части. По размерам лицевой части (наличника) судовые щитовые электроизмерительные приборы подразделяются на малогабаритные (с размерами 85  85 мм), среднего (с размерами 100  100 мм) и большого (с размерами 120  120 мм) габаритов. Размеры лицевой части судовых узкопрофильных (пультовых) приборов 160  30 мм. При выборе размеров следует учитывать площадь, занимаемую ими на лицевой стороне распределительных устройств и пультов управления. Из этих соображений, очевидно, удобнее применять приборы с минимальными размерами по лицевой части. На пультах, где площадь лицевой стороны особенно ограничена, используются иногда приборы малого габарита, а в основном – узкопрофильные. Однако с уменьшением размеров наличника приборов уменьшаются также длина их шкалы, число и величина делений, что ухудшает условия отсчета показаний (это замечание относится только к стрелочным приборам). Поэтому на распределительных устройствах используются, как правило, приборы среднего и большого габаритов. И только на судах, где габариты резко ограничены, применяются малогабаритные приборы. Следует учитывать, что на одном и том же пульте или распределительном устройстве установка приборов с различными размерами лицевой части нежелательна.

Выбор приборов для измерения тока и напряжения. Для измерений силы тока и напряжения в сетях постоянного тока применяются приборы магнитоэлектрической системы. В сетях переменного тока измерения производятся при помощи приборов всех систем, за исключением магнитоэлектрической. Для измерений в сетях переменного тока промышленной частоты (50 Гц) используются преимущественно электромагнитные приборы, в сетях высокой частоты – электростатические и ламповые вольтметры, тепловые и термоэлектрические приборы, а для частот до 10 000 Гц – детекторные приборы. Амперметры и вольтметры, применяемые для измерений соответственно силы тока и напряжения, выбираются в зависимости от рода тока, частоты источника питания и значения измеряемого тока или напряжения. Для измерения малых значений токов и напряжений используются микроамперметры, миллиамперметры и милливольтметры. Для точных измерений весьма малых значений токов (от до А) и напряжений используются гальванометры. Кратковременный импульс тока или быстро протекающее и притом небольшое количество электричества измеряется баллистическим вольтметром. Амперметры и вольтметры, имеющие равномерную рабочую шкалу, обеспечивают измерение тока и напряжения в пределах от 0 до 100 % номинального значения измеряемой величины, при неравномерной шкале – от 25 до 100 % номинального значения измеряемой величины. Амперметры и вольтметры, предназначенные для измерений в сетях с изменяющимися нагрузкой или напряжением, выбираются с некоторым запасом по шкале по сравнению с номинальными данными измеряемой величины. Обычно при выборе приборов для генераторов и сетей с постоянной нагрузкой запас по шкале должен составлять около 25 % номинального значения, а для сетей с переменной нагрузкой и электроприводов с кратковременным режимом работы (шпили, краны, лебедки и т.д.) – до 50 % номинального значения. Если номинальное значение измеряемой величины совпадает с верхним пределом шкалы, то необходимо выбирать прибор с ближайшим большим пределом шкалы. Верхний предел шкалы амперметра, установленного для измерения нагрузки группового распределительного щита, должен соответствовать сумме номинальных токов потребителей, присоединенных к щиту. Шкала амперметров, включаемых в цепи генераторов постоянного тока и работающих параллельно, должна иметь 15 % делений влево от нуля. Верхний предел шкалы каждого вольтметра должен быть не менее 120 – 150 % номинального рабочего напряжения.

Выбор приборов для измерения мощности, частоты и коэффициента мощности. Мощность постоянного тока может быть определена как косвенно, путем замера тока, проходящего через потребитель электроэнергии, и падения напряжения на его зажимах, так и непосредственно с помощью ваттметра. Частоту в сетях переменного тока измеряют щитовыми стрелочными частотомерами, выбирая их в зависимости от номинальной частоты и напряжения сети. Коэффициент мощности сетей переменного тока при симметричной нагрузке фаз и симметричном напряжении измеряют с помощью щитовых фазометров, которые выбирают в зависимости от номинальной частоты и напряжения сети.

Выбор приборов для измерения сопротивления изоляции. Сопротивление изоляции судового электрооборудования и сетей следует измерять приборами постоянного тока, обеспечивающими необходимую точность. Рекомендуется применять мегомметры, работающие по принципу логометра. Не допускается использовать мегомметры, развивающие напряжения, опасные для изоляции измеряемых цепей. Для измерения цепей на номинальные напряжения до 100 В необходимо применять мегомметры с рабочим напряжением 100 В, для цепей до 400 В – мегомметры на 500 В, для цепей свыше 400 В и до 1000 В – мегомметры на 1000 В, для изоляции, работающей под напряжением 1000 В и более – мегомметр с рабочим напряжением 2500 В. При использовании вольтметров (для измерения методом трех отсчетов) из внутреннее сопротивление должно составлять при рабочем напряжении сети

• до 50 В – 20 000 Ом;

• до 127 В – 50 000 Ом;

• до 220 В – 100 000 Ом;

• до 500 В – 150 000 Ом.

Минимальные значения электрического сопротивления изоляции для каждой отдельной судовой сети и электрической схемы рассчитываются организацией, проектирующей судно. Сопротивление изоляции отдельных элементов, входящих в схему или в сеть, должно соответствовать данным, указанным в технической документации на эти элементы. Однако во всех случаях сопротивление изоляции отдельных сетей или схем должно быть таким, чтобы общее сопротивлении изоляции всей судовой сети в различных эксплуатационных режимах, измеренное на главных распределительных щитах, было не менее 200 000 Ом на переменном и 100 000 Ом на постоянном токе. Регистр рекомендует следующие значения сопротивления изоляции каждого фидера кабельной сети, измеренного относительно корпуса судна: в сетях освещения напряжением 100 – 500 В – не менее 1,5 МОм; в силовых сетях напряжением 100 – 500 В – не менее 1,0 МОм; а при напряжении выше 500 В – 5 000 Ом на каждый вольт номинального напряжения; в установках любого тока напряжением 100 – 500 В – не менее 1,0 МОм; а при напряжении до 100 В – 0,3 МОм.

При измерении сопротивления изоляции между жилами одного и того же кабеля с отключенными потребителями минимальные значения сопротивления изоляции должны быть удвоены. В устройствах, аппаратах и сетях, состоящих из нескольких параллельных цепей, допускается измерять сопротивление изоляции каждой цепи. На главном и аварийном распределительных щитах должна быть обеспечена возможность измерения сопротивления изоляции сетей, находящихся под напряжением, или должно применяться автоматически непрерывно действующее устройство для контроля целости изоляции относительно корпуса. Каждое судно необходимо снабжать переносным прибором для измерения сопротивления изоляции электрических цепей и оборудования.

Вопросы для самопроверки:

1. Структурная схема измерения неэлектрической величины электрическим измерительным прибором.

2. Основные достоинства измерения неэлектрической величины электрическим измерительным прибором.

3. Общее понятие параметрических преобразователей.

4. Виды, достоинства и недостатки, применение реостатных преобразователей.

5. Виды, достоинства и недостатки, применение преобразователей контактного сопротивления.

6. Виды, достоинства и недостатки, применение тензорезисторов.

7. Виды, достоинства и недостатки, применение термочувствительных преобразователей.

8. Виды, достоинства и недостатки, применение электролитических преобразователей.

9. Виды, достоинства и недостатки, применение индуктивных преобразователей.

10. Виды, достоинства и недостатки, применение емкостных преобразователей.

11. Виды, достоинства и недостатки, применение фотоэлектрических преобразователей.

12. Виды, достоинства и недостатки, применение ионизационных преобразователей.

13. Общее понятие генераторных преобразователей.

14. Виды, достоинства и недостатки, применение термоэлектрических преобразователей.

15. Виды, достоинства и недостатки, применение индукционных преобразователей.

16. Виды, достоинства и недостатки, применение пьезоэлектрических преобразователей.

17. Комплект электроизмерительных приборов для генераторной панели ГРЩ постоянного тока.

18. Комплект электроизмерительных приборов для генераторной панели ГРЩ переменного тока.

19. Комплект электроизмерительных приборов для распределительных устройств гребных установок постоянного и переменного тока.

20. Комплект электроизмерительных приборов для контроля за работой механизмов ответственного назначения и грузовых устройств

21. Рекомендуемые пределы измерения шкалы электроизмерительных приборов.

22. Выбор электроизмерительных приборов.