2.5. Датчики вакуума и силовые датчики.
Вакуумметры. Универсального метода или средства измерения вакуума не существует. При измерении давления основываются на различных физических закономерностях, прямо или косвенно связанных с давлением или плотностью газа.
Единица давления в системе СИ – ньютон на квадратный метр (Н/м2).
Диапазоны измерения вакуума различными вакуумметрами представлены на рис. 2.5.1.
Рис. 2.5.1
В электронных ионизационных вакуумметрах ионизация производится потоком электронов.
Для измерения давления до 10-5 Н/м2 (10-7 мм. рт. столба) применяют ионизационный радиоизотопный вакуумметр (альфатрон) (рис. 2.5.2).
Рис. 2.5.2
Инверсно-магнетронный вакуумметр (рис. 2.5.3) допускает измерение вакуума до 10-12 Н/м2 (10-14 мм. рт. столба). Он содержит плоскопараллельный катод (К) из двух пластин и кольцевой анод (А), плоскость которого параллельна катодным пластинам, расположенным в колбе (трубке). Колба располагается в магнитном поле напряженностью Н=400 э, направление магнитного поля параллельно плоскости электродов.
Рис. 2.5.3
Если в силоизмерительных датчиках подвижность его элементов нежелательна, то использовать ранее описанные датчики нельзя.
Если в силоизмерительных датчиках подвижность его элементов нежелательна, то ранее описанные датчики неприменимы.
Надежность и качество контроля, управления и регулирования повышаются, если измеряемая механическая величина воздействует непосредственно на преобразователь (датчик), минуя промежуточные звенья, т. е. когда чувствительный элемент датчика и преобразователь представляют одно целое.
К таким датчикам относятся преобразователи, основанные на использовании магнитоупругого эффекта и пьезоэффекта, т. е. магнитоупругие, магнитоанизотропные и пьезоэлектрические датчики.
Известно явление магнитострикции, при котором под действием внешнего магнитного поля изменяются ориентация материала и линейные размеры образца из намагничиваемого материала.
Существует явление, обратное магнитострикции, это магнитоупругий эффект. Магнитоупругим эффектом называют эффект изменения магнитных свойств материала под влиянием механических деформаций.
Под влиянием упругой деформации изменяются форма кристаллической решетки ферромагнитного материала и ориентация вектора самопроизвольной намагниченности Js в решетке.
Между изменением размеров ферромагнитного тела в направлении действия внешнего намагничивающего поля H и изменением индукции B под действием внешних механических напряжений σ существует зависимость
dl/ldH=dB/4πdσ. |
(2.5.1) |
Магнитный поток Ф=BS=4πJsS, где S – поперечное сечение образца.
При деформации растяжения ферромагнитного материала во внешнем магнитном поле H>Hs магнитный поток изменяется за счет изменения самопроизвольной намагниченности Js, т. е.
dФ=4πSdJs+4πJsdS. |
(2.5.2) |
Выражая dS/S через модуль упругости E, механическое напряжение σ и коэффициент поперечного изменения размеров ε, можно записать
dS/S=2εσ/E– (εσ/E)2. |
(2.5.3) |
Пренебрегая вычитаемым ввиду малости ε2, можно записать
dФ=4πS(dJs+2Jsεσ/E). |
(2.5.4) |
Отсюда видно, что изменение магнитного потока при деформации ферромагнитного образца зависит от изменения его намагниченности Js, механических свойств и размеров.
В результате механических напряжений, при заданной напряженности магнитного поля H, изменяется величина магнитной индукции В.
Т. к. B=μH, то при воздействии механических напряжений, при H=const, изменяется магнитная проницаемость ферромагнетика.
Относительное изменение μ при механических напряжениях имеет зависимость
dμ/μ=μнλ0σ, |
(2.5.5) |
где λ0 – начальная магнитострикция.
Эффект изменения магнитных свойств ферромагнитных материалов от механических напряжений при действии внешнего усилия использован в магнито-анизотропных датчиках (рис. 2.5.4). В датчике на замкнутый магнитопровод намотано несколько обмоток.
Рис. 2.5.4
Магнитное сопротивление потоку Rмl/μS, где l и S – длина и сечение магнитопровода. Индуктивность намагничивающей катушки определяется по L=w2/zм, а E2 вторичной обмотки выражается как
E2=4cfw2(Iw1/zм), |
(2.5.6) |
где I – намагничивающий поток; f – частота тока; ε – коэффициент формы кривой перемагничивания.
Чувствительность такого датчика
η=k=dL/L≈dμ/μ |
(2.5.7) |
носит нелинейный характер. Его достоинства – высокая чувствительность (k≈200 для пермаллоя и k≈80 для технической стали) и высокая эксплуатационная надёжность, а недостатки – наличие нестабильности характеристик и петли гистерезиса.
Анизотропия свойств ферромагнетиков проявляется в существенном отличии затрат на намагничивание в зависимости от направления внешнего поля относительно пространственной диагонали кристалла железа. Кристалл железа имеет форму куба, вдоль ребра [100] куба – намагничивание идет с min затратами, вдоль диагонали грани куба [110] – ось среднего намагничивания, намагничивание идет с затруднениями, а вдоль пространственной диагонали [111] – ось трудного намагничивания, намагничивание идет с max затратами.
При намагничивании магнитострикция λ100=+k, λ110=–k и λ111=–k, в этом состоит анизотропия. Горячекатаная сталь имеет незначительную анизотропию, а у холоднокатаной стали её величина в несколько раз больше.
Под влиянием внешних механических напряжений магнитные свойства материала претерпевают изменения во всех направлениях с различной интенсивностью и с различными знаками в зависимости от внешнего магнитного поля, т. к. изменяется магнитная анизотропия материала.
Магнитоанизотропный датчик (рис. 2.5.5) – прямоугольник из ферромагнитного материала с четырьмя расположенными на взаимно перпендикулярных диагоналях отверстиями, куда в диагонально противоположные отверстия укладывается две обмотки.
Рис. 2.5.5