5.3. Электросиловые преобразователи

Электросиловые преобразователи предназначены для преобразования усилия чувствительного элемента измерительных устройств, воспринимающего измеряемую величину, в унифицированный сигнал постоянного тока или напряжения.

Электросиловые преобразователи выпускаются с линейной и квадратичной характеристикой.

Преобразователи с линейной характеристикой ЭЛП используются в первичных приборах для измерения абсолютного, вакуумметрического и избыточного давлений, разности давлений, тяги и напора, уровня и плотности жидких сред и других величин. Для средств измерений этого типа выходной сигнал пропорционален измеряемой величине. Электросиловые преобразователи с квадратичной характеристикой ЭКП применяют в дифманометрах, предназначенных для измерения расхода жидкостей, газов и пара по перепаду давления в сужающем устройстве. В этом случае выходной сигнал дифманометра будет пропорционален измеряемому расходу.

Принцип работы электросиловых преобразователей показан на примере измерительного преобразователя давления (ИПД), серийно выпускаемого промышленностью.

Работа преобразователей основана на принципе силовой компенсации. Чувствительный элемент 12 (рис. 5.11) преобразует измеряемое давление в усилие, которое передается на рычаг 7, сбалансированный относительно ленточной упругой опоры 8. Рычаг жестко связан с плунжером 10 индикатора рассогласования 11 и с двумя подвижными последовательно соединенными обмотками 3, закрепленными на противоположных плечах рычага 7. Подвижные обмотки

Рис. 5.11. Функциональная схема преобразователя давления ИПД

расположены в магнитном поле рабочего зазора двух силовых механизмов 4 и работают: одна на втягивание, другая на выталкивание.

Перемещение плунжера преобразуется индикатором рассогласования в управляющий сигнал переменного тока, поступающий на вход усилителя 5. Выходной сигнал усилителя в виде постоянного тока поступает в подвижную обмотку 3 и обмотку коррекции нелинейности 2 силовых механизмов, а также на блок резисторов 9, с которого снимается выходной сигнал преобразователя. В силовом механизме взаимодействие поля постоянного магнита 1 с магнитным полем, создаваемым током, который протекает по обмоткам 2 и 3, создает усилие, пропорциональное этому току и усилию, развиваемому чувствительным элементом. Для периодической корректировки нуля и диапазона изменения выходного сигнала в преобразователе имеются корректор нуля, корректор диапазона и нагрузочное устройство 6. Наложение груза на рычаг производится поворотом переключателя в положение «Калибровка», в режиме измерения давления переключатель находится в положении «Измерение».

Класс точности некоторых моделей преобразователей ИПД достигает 0,06.

Достоинства электросиловых преобразователей: низкая погрешность измерения, отсутствие перемещения чувствительного элемента.

Недостатки: сложная конструкция преобразователя, низкая устойчивость к вибрации, большая масса.

5.4. Измерительные тензопреобразователи

Принцип действия измерительных тензопреобразователей основан на изменении электрического сопротивления упругого тела при его деформации.

Тензопреобразователи выполняются из металлической проволоки или фольги. Наиболее перспективными являются полупроводниковые тензопреобразователи. Они обладают высокой тензочувствительностью по сравнению с металлическими тензорезисторами и позволяют с помощью усилителя получить унифицированный выходной сигнал постоянного тока.

Кремниевые тензопреобразователи используются в качестве передающих в измерительных устройствах для измерения переменного давления, преобразованного в деформацию.

Металлические тензорезисторы широко применяются в качестве первичных преобразователей для измерения деформации в деталях механизмов и машин при их исследовании.

По устройству металлические тензопреобразователи подразделяют на наклеиваемые и ненаклеиваемые.

Наклеиваемые тензорезисторные преобразователи, получившие широкое распространение, выполняются из уложенной зигзагообразно и приклеенной специальным клеем на полоску тонкой прочной бумаги (или пластмассы) проволоки диаметром 0,01…0,05 мм (рис. 5.12).

Рис. 5.12. Проволочный тензопреобразователь

Рис. 5.13. Фольговый тензопреобразователь

На рис. 5.12 обозначено: 1 – проволока; 2 – выводные проводники; 3 – подложка; L – база; h – ширина тензорезистора.

К концам проволоки тензорезистора припаяны или приварены выводные проводники диаметром 0,5 и длиной 40 мм, служащие для включения тензопреобразователя в измерительную цепь.

В качестве материала для проволоки используются обычно сплавы меди и никеля, никеля и хрома, никеля и железа.

Основными требованиями к тензочувствительным материалам являются стабильность градуировочных характеристик, малый температурный коэффициент электрического сопротивления, по возможности большая тензочувствительность.

На рис. 5.13 показано устройство фольгового тензопреобразователя.

Эти тензопреобразователи выполняют из металлической (константановой, хромоникелевой) фольги толщиной 0,001…0,01 мм вытравлением соответствующих частей, вследствие чего получается решетка требуемой формы. Такой способ дает возможность изготовлять тензорезисторы различных форм.

При деформации меняются размеры и, следовательно, электрическое сопротивление проволоки тензопреобразователя. Размер деформации определяет изменение электрического сопротивления тензорезистора, измеряемого обычно с помощью мостовой измерительной схемы.

Активное сопротивление R проволочного проводника определяется по формуле

,

где  – удельное электрическое сопротивление проволоки; l – длина проволоки; S – площадь поперечного сечения проволоки.

При деформации проволоки изменяются ее длина, сечение, удельное электрическое сопротивление, и результирующее относительное изменение активного сопротивления определяется как

.

Выражая в этом уравнении относительное изменение площади поперечного сечения проволоки через продольное изменение с помощью коэффициента Пуассона ,

,

получаем

. (5.3)

Разделив уравнение (5.3) на l/l, получим уравнение, определяющее коэффициент деформации (тензочувствительность) прямой проволоки,

.

Для металлов коэффициент Пуассона, в области упругих деформаций, лежит в пределах от 0,25 до 0,5, например, для константана и манганина  = 0,33; для никеля – 0,28.

Тензочувствительность металлических тензорезисторов приблизительно равна 2, кремниевых – до 200,

Проволочный тензопреобразователь обычно наклеивают на исследуемую деталь или упругий чувствительный элемент манометра таким образом, чтобы его ось совпадала с направлением наибольшего напряжения. При одноосном напряжении, кроме деформации в направлении напряжения, возникает поперечная деформация. Вследствие деформации частей, которые не находятся в направлении напряжения, по изменению удельного электрического сопротивления и известной тензочувствительности s проволоки точно определить значение относительного удлинения нельзя. Нельзя также тензочувствительность тензопреобразователя приравнять тензочувствительности s прямой проволоки. Влияющим фактором является также и неравномерность распределения напряжения при сдвиге, посредством которого передается деформация детали или упругого чувствительного элемента на проволоку тензопреобразователя.

Влияние поперечной деформации на тензочувствительность преобразователя s_п уменьшается с уменьшением ширины h тензопреобразователя и с увеличением сечения поперечных проводников между продольными проволоками (см. рис. 5.12).

Значение тензочувствительности s_п проволочного тензопреобразователя при одинаковом числе витков зависит от размера его базы L, если L < 15 мм. При L  15 мм тензочувствительность s_п практически не меняется с увеличением базы.

Тензочувствительность s_п тензопреобразователей обычно определяют при заданном значении тока путем их индивидуальной градуировки. В большинстве случаев значение сопротивления тензопреобразователя лежит в пределах 80…600 Ом при 20 °С. Изменение сопротивления тензопреобразователя в зависимости от удлинения обычно определяют с погрешностью 1…2 %.

Относительное изменение сопротивления металлических тензопреобразователей не превышает 1 % даже при наибольших размерах удлинения проволок, и для уменьшения температурной погрешности необходимо, чтобы материал тензопреобразователя имел наименьший температурный коэффициент электрического сопротивления. При минимальном значении температурного коэффициента сопротивления материала проволоки и осуществлении дополнительных мер температурную погрешность можно свести практически к нулю.