Материал: 00368

толщин диэлектриков (бумага и т.д.) (рис.5) или влажности диэлектрика (бумага) при неизменной ее толщине и т. д.

Рис. 4. Емкостной преобразователь с переменным составом диэлектрика.

Рис. 5. Емкостной преобразователь с переменной толщиной диэлектрика.

Для емкостного уровнемера (рис.4) емкость конденсатора образуется двумя параллельно включенными конденсаторами с заполнением жидкостью на высоте l и парами на высоте L - l. Обкладки конденсатора образованы двумя коаксиальными трубами радиусами R и r. Диэлектрическая проницаемость жидкости ε₂, паров ε₁. Емкость датчика

Диэлектрическая проницаемость сухого воздуха составляет 8,85x10^-12 Ф/м.

Диэлектрики по величине диэлектрической проницаемости подразделяются на полярные (ε>12 — вода, спирты, ацетон и др.), слабополярные (3<ε<6), неполярные (ε<3 — масла, нефтепродукты и их производные, криогенные продукты). У чистых газов (азот, кислород, водород) ε≈1.

При измерении толщины диэлектриков δ₂ (рис.5) либо ее вариации (при протяжке ленты между обкладками конденсатора) емкость конденсатора

Зазор δ₁ — δ₂ чаще всего — воздушный промежуток.

К емкостным преобразователям с перестраиваемой структурой могут быть отнесены варикапы, используемые для измерения или регулирования температуры в небольшом температурном интервале.

Как уже говорилось, стабильность характеристик струнного резонатора в первую очередь определяется качеством крепления струны. Кардинальное решение проблемы крепления, сводящееся к отказу от всякого крепления как такового, предложено Л.Г. Эткиным [33]. Роль резонатора в этих конструкциях выполняет вместо струны тонкая (доли миллиметра) стальная пластинка, изготовленная за одно целое с упругим элементом из одной заготовки (рис.З).

Рис. 3. Упругая перемычка стержне­вого резонатора: 1 — перемычка; 2 — упор упругого элемента; 3 — мембрана упругого элемента.

Начальное напряжение в такой конструкции отсутствует и начальная частота целиком определяется упругими свойствами пластинки. Под действием приложенной силы упругий элемент деформируется и пластина растягивается, при этом повышается частота собственных колебаний. Датчики с такими преобразователями известны как стержневые или вибрационно-частотные.

Несколько конструкций упругих элементов стержневых датчиков [34] представлено на рис.4. Кольцевые упругие элементы предназначены для датчиков силы и давления, а упругий элемент мембранной конструкции используется только в датчиках давления.

Рис. 4. Конструкции упругих элементов стержневых датчиков: 1 - упругий элемент; 2 - перемычка; 3 - отверстия, обеспечивающие пониженную жесткость в направлении поперечных составляющих измеряемого усилия; 4 - жесткий стержень; 5 - отверстие под усилитель; 6 -гофрированная мембрана; 7- стойка упругой перемычки; 8 - корпус преобразователя.

Датчики со стержневыми преобразователями в настоящее время применяются как высокоточные измерители статических и медленноменяющихся давлений, усилий и крутящих моментов. Упругие элементы серийных датчиков изготавливаются из стали 35ХГСА, колеблющиеся перемычки имеют начальную частоту 3000 и 6000 Гц при девиации частоты в пределах 25...30 %.

Механические резонаторы, как правило, используются в частотных датчиках в режиме свободных колебаний или в автоколебательном режиме. Возбуждение колебаний в резонаторах осуществляется двумя методами: электромагнитным, при котором происходит взаимодействие струны или перемычки из ферромагнитной стали и переменного магнитного потока, создаваемого электромагнитным возбудителем; электродинамическим, при котором происходит взаимодействие переменного тока, протекающего через струну из диамагнитного материала, и магнитного потока постоянного магнита. Электромагнитное возбуждение получило больше распространение тем более, что для стержневых преобразователей это единственный способ, так как нельзя электрически изолировать перемычку от упругого элемента.

Одна из возможных конструкций электромагнитных возбудителей показана на рис.5. Возбудитель расположен с зазором δ<1 мм от струны или перемычки 1 и состоит из постоянного магнита 2, катушки 3 и магнитопровода 4 - При прохождении электрического импульса запроса по катушке магнитное поле увеличивается и струна притягивается к магниту. По окончании импульса запроса струна начинается колебаться с частотой собственных колебаний.

Рис. 5. Электромагнитный поляризо­ванный возбудитель/приемник: 1 — упру­гая перемычка или струна; 2 - постоянный магнит: 3 — катушка; 4 — магнитопровод.

Структурная схема частотного преобразователя с резонатором, работающим в режиме свободных колебаний, дана на рис.6. Измеряемая величина Хн.эл преобразуется упругим элементом в деформацию, от которой зависит частота собственных колебаний механического резонатора. Колебания в резонаторе возбуждаются с помощью возбудителя, на вход которого подается импульс запроса от измерительного устройства. Для преобразования энергии возбужденных механических колебаний резонатора в электрическую энергию используется специальный электромагнитный или индуктивный преобразователь-приемник. Сигнал с выхода приемника в виде затухающих колебаний усиливается и поступает на выход частотного преобразователя.

В ряде случаев один и тот же электромеханический преобразователь, например электромагнитный преобразователь на рис.5, используется в обратимом режиме в качестве возбудителя и приемника. Тогда для связи с датчиком достаточно двухпроводной линии.

Частотные преобразователи с механическим резонатором, работающим в автоколебательном режиме, строятся по структурной схеме, представленной на рис.7. Резонатор получает энергию от возбудителя, на вход которого поступает сигнал с выхода усилителя. Вход усилителя в свою очередь связан с выходом приемника, преобразующего колебания того же резонатора. Известно, что самовозбуждение колебаний в такой замкнутой системе происходит в том случае, если ее коэффициент передачи (в разомкнутом виде) больше единицы, а суммарный фазовый сдвиг всех звеньев равен нулю или целому числу периодов колебаний. Поэтому при использовании усилителя с фазовым сдвигом, близким к нулю, и с достаточно большим коэффициентом усиления самовозбуждение системы произойдет точно на частоте собственных колебаний резонатора. Существенным положительным свойством этого режима работы является простота схемной реализации и непрерывность преобразования.

Рис. 6. Структурная схема частотного преобразователя с резонатором, работающим в режиме свободных колебаний.

Рис. 8. Структурная схема частотного преобразователя с резонатором, работающим в автоколебательном режиме.

Погрешности частотных преобразователей с управляемыми механическими резонаторами состоят из трех составляющих [31]. Первая составляющая — это погрешность преобразования измеряемой величины в промежуточную величину — деформацию, от которой непосредственно зависит собственная частота резонатора. Эта погрешность целиком определяется свойствами упругого элемента и входным преобразователем, если он имеется.

Вторая составляющая появляется из-за того, что собственная частота резонатора зависит не только от деформации, но и от внешних влияющих факторов, в основном от температуры, и от влияния заделки в струнных резонаторах. Сюда же следует отнести и погрешность изменения собственной частоты при изменении амплитуды колебаний.

Третья составляющая погрешности связана с тем, что возбуждаемые в резонаторе колебания имеют частоту, не точно совпадающую с частотой собственных колебаний резонатора. При работе в автоколебательном режиме величина этой составляющей зависит от фазовых характеристик отдельных элементов частотного преобразователя, а в режиме свободных колебаний эта составляющая погрешности отсутствует.

Характерная особенность частотных преобразователей с механическими резонаторами заключается в том, что амплитудные погрешности возбудителя, приемника и усилителя не влияют непосредственно на погрешность преобразователя.

3.5. Ультразвуковые преобразователи

Ультразвуковые преобразователи основаны на закономерностях взаимодействия звуковых колебаний с веществом. Скорость распространения звуковых колебаний зависит от состава, плотности, температуры вещества, модуля упругости (для твердых тел). Рассеяние и поглощение звука зависит от частоты колебаний, от степени неоднородности среды. При переносе звуковых колебаний движущейся средой наблюдаются релятивистские эффекты.

Можно предвидеть, что согласию с предлагаемой структурной схемой могут помешать терминологические расхождения. Например, многие специалисты привыкли мембрану в датчиках давления называть (не без основания) чувствительным элементом. В предлагаемой схеме ей отводится

Скорость распространения звука в идеальном газе

в реальном газе

где æ=Ср/С_V — отношение удельной теплоемкости при постоянном давлении к удельной теплоемкости при постоянном объеме; R=8,314 Дж/КМоль — газовая постоянная; Т — абсолютная температура; М — молекулярный вес; Р — давление газа; В — второй вириальный коэффициент.

Скорость распространения в твердом теле

где Е — модуль упругости; ρ — плотность.

Могут быть выделены два представительных принципа преобразования звуковых колебаний в датчиках:

датчики на основе бегущей ультразвуковой волны и датчики со стоячей ультразвуковой волной.

Датчики на основе бегущей волны в свою очередь могут быть подразделены на следующие разновидности:

• Датчики локационного типа — эхолоты, уровнемеры, дефектоскопы. Во всех датчиках этого типа звуковой импульс излучается датчиком, проходит путь до отражающей поверхности (граница раздела жидкости и газа, поверхность дефекта, твердая поверхность) и возвращается обратно в датчик. В эхолотах и уровнемерах по измеренному времени распространения импульса вычисляется расстояние (уровень), в дефектоскопах не только оценивается глубина залегания дефекта, но и могут оцениваться размеры дефекта. В эхолотах и уровнемерах принимаются специальные меры для учета местной скорости звука. В уровнемерах локация осуществляется как через газ, так и через жидкость. Первая группа характеризуется широким диапазоном измерения (до 30 м), сравнительно большой погрешностью (1...3%) и достаточно высокой инерционностью (до 0,2 с). Для снижения потерь, обусловленных затуханием звука в газе, такие уровнемеры работают на низких частотах (несколько десятков кГц).

Уровнемеры с локацией через жидкость характеризуются высокой точностью (десятые доли процента), низкой инерционностью (до 10^-3 с). В них излучатель целесообразно использовать и как приемник.

Известны реализации уровнемеров, основанные на локации границы раздела сред по волноводам (используются поверхностные ультразвуковые

волны, испытывающие отражение на границе раздела сред).

Таким образом, в этих датчиках путь звукового импульса L преобразуется во время распространения импульса t_И при постоянстве скорости звука с = const.

t_И=L/c.

• Другая реализация — датчик с фиксированной базой распространения звукового импульса. В этом случае измеряемой величиной является скорость (либо скорость распространения звука в среде, заполняющей фиксированную базу, либо скорости движения среды на фиксированной базе, т.е. объемные расходы).

Принцип бегущей волны используется в ультразвуковых термометрах, основанных на зависимости скорости звука от температуры вещества. При этом звукопроводящей средой могут быть как специальные звукопроводы- термометры, имеющие тепловой контакт с термометрируемой средой, так и

сама термометрируемая среда. Известен интерес к такого рода измерителям в ядерной термометрии [36].

Рис. 1. Зависимость времени следова­ния импульсов от температуры.

Рис. 2. Принцип действия ультразву­кового расходомера.

На рис.1 приведена зависимость времени следования импульсов ультразвуковых волн τ от температуры звукопроводов из различных металлов.

В расходомерах (рис.2) ультразвуковая волна, излучаемая в нечетном такте первым излучателем И₁, сносится потоком, движущимся со скоростью υ, и воспринимается приемником П₁. В четном такте волна излучается излучателем И₂ и воспринимается приемником П₂. При соответствующей синхронизации излучения и приема в качестве излучателя и приемника на каждой стороне используется одно и то же обратимое устройство. При нечетном такте скорость распространения звуковой волны с+υ (излучение по нормали к вектору скорости потока), при четном такте - c-υ.

Разность времени прохождения фиксированной базы L.

Известны три основные модификации расходомеров с перемещением звуковой волны движущейся средой — осевые, угловые и со сносом. Ультразвуковые расходомеры по видам модуляции подразделяются на фазовые, частотно-импульсные и времяимпульсные. Первые две модификации используются наиболее часто.

Датчики на основе стоячей звуковой волны содержат резонатор, в котором образуется стоячая волна. Таким резонатором может быть и слой газа и жидкости, и стержень твердого тела.

При неизменном составе газа в резонаторе скорость звука зависит только от температуры газа. Поэтому такой газовый термометр-резонатор, в котором возбуждаются автоколебания, является абсолютным термометром и может использоваться для измерений от абсолютного нуля вплоть до температур, при которых сохраняется целостность резонатора [37,38].

В [39] использовался акустический резонатор с жидким наполнителем для реакторной термометрии

Если в резонаторе меняется состав среды, но неизменной остается температура, то скорость звука становится функцией состава среды. На этом принципе строятся акустические газоанализаторы.