Механічні пружні перетворювачі механічних величин План Використання механічних пружніх перетворювачів Перетворювачі механічних зусиль Перетворювачі параметрів руху Механічні пружні перетворювачі з частотним виходом (со) 1. Використання механічних пружніх перетворювачів Механічні пружні перетворювачі широко застосовуються як первинні перетворювальні елементи динамометрів, манометрів, віброметрів, акселерометрів. Вхідними величинами цих перетворювачів можуть бути такі механічні зусилля, як сила, тиск, крутний момент, а вихідною - переміщення (лінійне або кутове) чи деформація. Якщо вихідною величиною механічного пружного елемента є переміщення, то він використовується як первинний перетворювач реостатних, ємнісних чи індуктивних давачів, якщо деформація, то - як первинний перетворювач в тензорезистивних давачах. 2. Перетворювачі механічних зусиль Як пружні перетворювачі порівняно великих сил (понад 10 кН) широко застосовуються суцільні стержні. Порожнисті стержні дають змогу підвищити чутливість перетворювачів, однак межі їх перетворення не нижчі, ніж 0,5 кН. Загальним недоліком стержневих пружних елементів є надзвичайно малі вихідні переміщення, тому вони використовуються лише з тензорезистивними вторинними перетворювачами. Іншим їх недоліком є неідентичність їх перетворювальних характеристик під час роботи на стиск та на розтяг. Певні переваги перед стержневими мають кільцеві пружні елементи. Вони мають порівняно великі вихідні переміщення, що дає змогу використовувати їх в ємнісних та індуктивних давачах. Кільцеві пружні елементи є чутливішими і можуть застосовуватись для перетворень сил у межах від декількох десятків ньютон до одиниць кілоньютон. Найчутливішими до дії сил є балкові пружні елементи. Вони технологічні, деформації стиску та розтягу в них повністю ідентичні. Розподіл напружень по довжині балки рівномірного поперечного перетину є нерівномірним. Для отримання рівномірного розподілу напружень застосовують так звану балку рівномірного опору згину. Найпоширенішим пружним перетворювачем тиску є штивна мембрана. Вона може використовуватись як перетворювач тиску в деформацію або як перетворювач тиску в переміщення. Вибираючи мембрани і кільцеві пружні елементи як первинні перетворювачі тензорезистивних давачів, необхідно враховувати наявність зон деформації стиску та зон деформації розтягу. Як пружні перетворювачі тиску використовують також циліндричні оболонки, трубки Бурдона. Матеріали, які застосовуються для виготовлення механічних пружних елементів, повинні відповідати певним вимогам. Оскільки пружні елементи є складовою частиною вимірювальних перетворювачів, а їх характеристики безпосередньо впливають на метрологічні характеристики перетворювача, основні параметри матеріалів пружних елементів повинні мати високу стабільність у широких межах зміни чинників, що впливають. Для всіх сплавів модуль пружності значно залежить від температури. Загалом ця залежність нелінійна. Практично лінійну залежність модуля пружності від температури мають сталь 36НХТЮ та бронза БрБ2. Останнім часом для виготовлення механічних пружних елементів почали застосовувати неметалеві матеріали, зокрема кварцове скло. Той факт, що кварцове скло добре піддається механічному, ультразвуковому, електронно-променевому обробленню, робить його дуже перспективним для створення різноманітних перетворювальних елементів давачів неелектричних величин. 3. Перетворювачі параметрів руху Механічні пружні елементи також широко застосовуються як елементи інерційних систем – первинних перетворювачів віброметрів та акселерометрів. Інерційна маса – це консольна балка із зосередженою на її незакріпленому кінці масою m або штивна мембрана із зосередженою в її центрі масою m.
Рис 1 Інерційна маса буде коливатись відносно досліджуваного об’єкта з амплітудою, яка дорівнює амплітуді коливань досліджуваного об’єкта, але з відставанням за фазою на 180°. 4. Механічні пружні перетворювачі з частотним виходом Принцип дії механічних пружних перетворювачіз частотним виходом (струнних перетворювачів) базується на залежності частоти власних коливань механічної струни від сили натягу. Тому струнні перетворювачі використовуються як перетворювальні елементи динамометрів та манометрів. В останньому випадку досліджуваний тиск попередньо за допомогою мембрани перетворюється в механічну силу. Зупинимось на деяких конструктивних особливостях та особливостях вимірювальних кіл струнних перетворювачів механічних сил і тисків. Існують магнітоелектричні та електромагнітні струнні перетворювачі. Магнітоелектричний струнний перетворювач складається із струни у вигляді тонкої металевої пружної стрічки, розміщеної в колі постійного магніту. В сучасних магнітоелектричних струнних перетворювачах застосовують звичайно струни з берилієвої бронзи довжиною 60...100 мм, шириною від 0.5 до 3 мм та товщиною 0,05...0,1 мм з частотою власних коливань 3...20 кГц. При проходженні через струну змінного електричного струму згідно із законом Фарадея на струну буде діяти знакоперемінна сила, внаслідок чого струна буде коливатись. Електромагнітний струнний перетворювач являє собою феромагнітну пружну струну (звичайно сталеву), що приводиться в коливний рух за допомогою поляризованого електромагніту. Електромагнітний струнний перетворювач має певні недоліки. Так, електромагнітний спосіб збудження вимагає застосування струни з магнітного матеріалу, який, звичайно, не відрізняється високими пружними властивостями. Крім цього, наявність обмотки збудження знижує експлуатаційну надійність перетворювача. Тому тепер переважно використовуються струнні перетворювачі з магнітоелектричним збудженням. Найбільше застосовуються струнні динамометри та манометри. Вони мають порівняно високу точність, похибка вимірювання такими приладами може бути зведена до 0,2,..0,4 %. Вони досить чутливі, мають малу інерційність, високу надійність. Струнні динамометри застосовують для вимірювань сталих та змінних сил від одиниць кілоньютона до приблизно 10 МН в діапазоні частот 0...50 Гц. Діапазон вимірювань струнних манометрів становить від десятків кілопаскаль до 250...300 Мпа. Конструкція найпростішого струнного перетворювача тиску з магнітоелектричним збудженням наведена на рис.2.
Рис.2 – Однострунний перетворювач тиску Торцева частина циліндричного корпуса 1 утворює мембрану 2 зі стояком 3, віддаленим від центра мембрани на відстань близько 0,6 її радіуса. Другий стояк 4 закріплений на торцевій частині корпуса поза зоною мембрани та ізольований електрично від корпуса ізоляційною прокладкою. Металева струна 5 натягнена між стояками і може коливатися у вузькому проміжку між полюсами магнітної системи 6. Кінці струни з’єднані із затискачами для підключення у вимірювальне коло. Під дією вимірюваного тиску Рх мембрана вигинається, а розміщений на діафрагмі стояк 3 надає струні додаткового натягу. Недоліком однострунних перетворювачів є значна нелінйність функції перетворення, яка досягає 4...5 % на 10 % девіації частоти. Для зменшення нелінійності струнні перетворювачі виконують диференціальними (різницевими). Похибка від нелінійності диференціальних струнних перетворювачів не перевищує 0,1 % при девіації частоти до 25 %. Конструкція диференціального струнного перетворювача тиску показана на рис. 3.
Рис.3 – Диференціальний струнний перетворювач тиску Перетворювач має дві ідентичні струни 1 та 2, закріплені відповідно до трьох стояків. Середній стояк розміщений несиметрично на мембрані і при дії вимірюваного тиску повертається на деякий кут, збільшуючи натяг струни 1 і зменшуючи натяг струни 2. Підвищити точність струнного перетворювача, зберігши широкий діапазон вимірювань можна, використовуючи якнайкоротші і відповідно якнайтонші струни. Але застосування таких струн пов’язане з проблемою надійного закріплення їх кінців до відповідних елементів давача.
