Главная - Литература

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 [20] 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45

Принцип действия устройства поясняется схемой на рис. 4.7. Входными сигналами усилителей СУ, ВУ являются токи, пропорциональные току 1х и напряжению U, которые характеризуют мощность в измеряемой цепи. Каждый из ТПР имеет кроме основного вспомогательный нагреватель, который обеспечивает поддержание температуры ТПР постоянной вне зависимости от уровня сигнала, поступающего на основной нагреватель. Термочувствительные резонаторы возбуждаются в генераторах AFi и АГг. Дополнительно в схеме использован высокостабильный генератор АГо, имеющий частоту/о- С выхода формирователей 01 и 02 ВО вспомогательные обмотки подаются импульсы тока стандартной амплитуды /о и длительности То • Частоты следования этих импульсов равны

/Д1 = /i ~ /о; /Д2 - fi~ fo-

(4.9) (4.10)

Если изменяется сигнал Л + В, то вызванные этим вариации температуры TTIPi изменяют частоту /i таким образом, что суммарная мощность, выделяемая в двух нагревателях этого ТПР, остается на прежнем уровне. Аналогичным образом обеспечивается изотермический режим работы ТПР2- Условие постоянства мощностей следующее:

1-/ГЛ+В)-2Л„Л+/оЛ„То/Д1 = т

= 1 J (Л - В) dt - llRyi Го /д2 = const. т

Поскольку

4 = - / {{А+ВУ - (A-By\dt, т

то из (4.11) следует, что Рх =-(/Д2-/Д1)/*-

(4.11)

(4.12)

Таким образом, частота fx на выходе цепи вычитания частот пропорциональна измеряемой мощности [185].

Повышение точности измерений в схеме на рис. 4.7 обеспечивается тем, что здесь ТПР работают при фиксированных температурах. В этом случае согласование характеристик мощность - частота двух ТПР может быть выполнено с большой точностью.

Одан из вариантов конструкции ТПР показан на pic. 4.8. Для обеспечения высокой термочувствительности выбраны пьезоэлементы У-среза на частоту 20 МГц (основная гармоника) в форме плоского диска; 122


-1 fu1 fu2 Г



Рис. 4.7. Схема компарирующего ваттметра (изотермический режим):

ИУ - измерительное устройство; СУ - суммирующий усилитель; ВУ - вычитающий усилитель; 7V7/»i,2 - терморезонансные преобразователи; Я - пленочные нагреватели; ТВО - тепловыравнивающая оболочка; llB4i2 ~ знакочувствитель-ная цепь вычитания частот; Ф, Ф2 - формирователи импульсов амплитуды / длительности То

Рис. 4.8. Конструкция терморезонансного преобразователя:

а - общий вид резонатора; б - пьезоэлемент; 1 - пьезокварцевая пластина; 2 - корпус; 3 - нагреватель; 4 - электрод возбуждения

ТКЧ близок к 18 кГц/°С. Диаметр диска 5 мм позволяет разместить пьезоэлемент в стандартном корпусе ТО-5 с герметизацией лучом лазера. Нагревательные электроды выполнены из нихрома, обладающего малым старением при длительной работе в высокотемпературном режиме, малым температурным коэффициентом сопротивления и высокой химической стойкостью, а также хорошей адгезией к кварцу. Нагреватели имеют подковообразную форму и наносятся на двух поверхностях, что обеспечивает однородность прогрева пьезоэлемента [75].



Температурная нестабильность сопротивления нагревателей составляет 0,02-0,04 % на 1 °С. При комнатной температуре ТПР характеризуется коэффициентом преобразования электрическая мощность - частота, равным 750 Гц/мВт, и позволяет фиксировать изменение мощности на уровне нескольких микроватт. Номинальный ток подогрева ТПР не более 40 мА. Сопротивление нагревателей 100 Ом. Постоянная тепловой инерции близка к 10 с

В схеме на рис. 4.7 предел по точности ограничен двумя основными факторами: нестабильностью амплитуды /о уравновешивающих импульсов и возможными неоднородностями температуры по объему тепловы-равнивающей оболочки ТВО. Эти факторы приводят к появлению аддитивной погрешности преобразования. При выполнении оболочки в виде термостатированного цилиндра из меди (0 = 20 мм) погрешность преобразования мощности в частоту может быть снижена до 0,02-0,05 %.

На основе схемы, приведенной на рис. 4.7, разработан цифровой автоматический электротепловой ваттметр, имеющий класс точности 0,2.

4.5. ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫЙ ВАКУУММЕТР

Пьезорезонансный вакуумметр-разновидность манометров теплового типа, в основе работы которых лежит зависимость коэффициента теплопроводности газа от давления. При изменении теплопроводности изменяется температура подогревного термочувствительного элемента (термопары, термистора, пьезорезонатора и т.д.), что вызывает изменение его выходного сигнала. Зависимость теплопроводности газа от давления наиболее существенна в диапазоне давлений 0-1330 Па. Принцип действия ТПР в режиме измерения давления не отличается от принципа действия термопарных вакуумметров. Цепочка преобразований давление - теплопроводность - температура подогревного термодатчика - выходной сигнал остается прежней. Остаются прежними и погрешности, присущие методу измерений вакуума приборами теплового типа, в первую очередь зависимость результатов измерений от температуры и состава газа в контролируемой среде.

Впервые на возможность создания вакуумметров на основе подогревных пьезорезонаторов указал У. Уинг [76]. Экспериментальные и теоретические исследования пьезорезонансных вакуумметров б- л выполнены в МИФИ. В качестве чувствительных элементов использовались терморезонансные преобразователи, разработанные в ЛПИ Э.А. Куд-ряшовым.

Конструктивно пьезорезонансный вакуумметр содержит ТПР, защищенный от воздействия окружающей среды кожухом.

Основной характеристикой вакуумметра является зависимость частоты пьезорезонатора от давления р окружающей среды. Пьезорезонатор возбуждается в генераторе, вынесенном из вакуумной камеры. Ход зависимостей f (р) определяется мощностью Р„, рассеиваемой в 124

л «Гц 520

1 III

р„в,5Ът

II 11 ±.Л-,

Z в \l 2 «5


2 t 6

10 р,фпа

у 10 "10° "Ю р, */ЗПа

Рис. 4.9. Рабочие характеристики пьезорезонансного вакуумметра П1Ж различных уровнях мощности, рассеиваемой в нагревателе

Рис. 4.10. Зависимость чувствительности пьезорезонансного вакуумметра от давления

нагревателе. Крутизна характеристики Э Эр растет с увеличением Р„, что объясняется увеличением разности температур резонатора и газа (рис. 4.9).

Чувствительность Э Эр пьезорезонансного вакуумметра зависит от давления и, так же как для термопарных манометров, падает с увеличением р (рис. 4.10). Максимальная чувствительность достигается в области давлений 0,133-0,0133 Па (10" - 10"" мм рт.ст.) и при сравнительно невысоких мощностях подогрева (Рц = 13 мВт) составляет 1,35 кГц/Па (180 кГц/мм рт.ст.). Это позволяет зарегистрировать изменение давлений порядка 1,33 мПа (10"* мм рт.ст.). Мощность= = 13 мВт существенно ниже предельно допустимой (примерно 1 Вт) для используемого ТПР, что позволяет повысить чувствительность в области малых давлений по крайней мере еще на порядок.

Инерционность вакуумметра возрастает по мере уменьшения давления, поскольку при этом теплопроводность среды уменьшается. Значительное снижение инерционности может быть достигнуто при реализации схемы с изотермическим режимом работы ТПР.

4.6. НЕКОТОРЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ ПОДОГРЕВНЫХ ПЬЕЗОРЕЗОНАТОРОВ а) Пьезорезонансный термоанемометр

Применение термочувствительных пьезорезонаторов для измерения скорости глубоководных течений в океане описано в [77]. Типичные значения скоростей потоков на больших глубинах (свыше 1 км) лежат в пределах 1-100 мм/с Измерение скоростей менее 10 мм/с при помощи механических датчиков скорости практически невозможно, Авто-




Рис. 4.11, Калибровочная кривая термоанемометра

рами [77] был применен датчик ско-V см/с рости, выполненный на основе двух термочувствительных резонаторов 1С-среза, имевших ТК = 1000 Гц/°С (/ = 28 МГц).

Скорость горизонтального потока г измеряется по разности частот Д/(г) двух резонаторов. Верхний подогревной резонатор изменяет свою температуру и частоту в функции скорости в результате потерь тепла, возрастаюших с увеличением скорости. Температура и частота второго резонатора от скорости потока не зависят, и он фактически измеряет среднюю температуру воды. Скорость течения определяется по градуировочной кртвой. Для используемой конструкции основным механизмом теплоотдачи, как показьшает анализ зависимостей на рис. 4.11, в диапазоне скоростей больших 1 мм/с следует считать вынужденную конвекцию. При скоростях ниже 1 мм/с начинает влиять теплоотдача путем свободной конвекции.

б) Пьезорезонансные детекторы теплопроводности

Детекторы теплопроводности различных типов широко используются в аналитической, препаративной и промышленной газовой хроматографии. Работа детектора теплопроводности основана на изменении температуры подогретого термодатчика, расположенного в стационарном потоке, при изменении состава и, как следствие, теплопроводности газа. В [76] предложен детектор, выполненный на двух термочувствительных резонаторах с пленочными нагревателями. Один из резонаторов помешается в камере, через которую пропускается чистый газ-носитель (гелий), второй резонатор устанавливается в камере, че рез которую пропускается анализируемая смесь гелия с воздухом

Обе камеры термостатированы при одинаковой температуре (38 °С) Мощности, рассеиваемые в нагревателях, в исходном состоянии вырав ниваются и составляют около 1,1 Вт. Объемный расход носителя ра вен 50 см/мин для каждой камеры.

Переходный процесс при подаче ступеньки входного сигнала длится около 1,9 мин (по уровню 95 %). Уступая классическим детекторам теплопроводности (катарометрам) по быстродействию и габаритным размерам, пьезорезонансные выигрывают по порогу чувствительности. 126

в) Тепловой расходомер

Для измерения расхода газов в МИЭТ [78] разработан тепловой измеритель расхода "Поток-1", выполненный на основе термочувствительных кварцевых резонаторов.

В проточной камере закрепляется герметизированный ТЧР среза ПЯ на частоту 5 МГц. Нагрев резонатора осуществляется безконтактно с помощью вмонтированных в металлический корпус двух инфракрасных диодов типа АЛ-107, Подводимая к диодам мощность обеспечивает перегрев пьезоэлемента на 15-20 °С относительно температуры газового потока. Датчик выполнен по дифференциальной схеме - второй резонатор, имеющий ту же термочувствительность, обеспечивает устранение влияния изменений температуры газового потока. Разностная выходная частота зависит от съема тепла с резонатора при изменениях скорости (расхода) газа.

Чувствительность датчика зависит от состава газового потока, каждый газ требует перекалибровки прибора. При работе с аргоном рабочие расходы 50 л/ч обеспечивали изменение выходной частоты до 2 кГц, тепловая постоянная составляла 5-7 с, порог чувствительности близок к 1 % номинального расхода.

ГПАВА 5

ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫЕ ДАТЧИКИ НА ОСНОВЕ ТЕНЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ РЕЗОНАТОРОВ

5.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫХ ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

В настоящее время на основе пьезорезонансных тензопреобразователей создаются высокоточные пртборы для измерения усилий, масс, деформаций, ускорений, вибраций, давлений, расхода, уровня и т.д.

Применяемые в этих устройствах ПР можно разделить на две группы:

силочувствительные резонаторы (СЧР) дискретного типа с традиционными для кварцевых ПР конфигурациями пьезовибраторов;

интегральные преобразователи, в которых на пьезокварцевой подложке объединяются несколько локализованных ПР, либо резонаторы интегрируются с дополнительными функциональными элементами датчика.

а) Дискретные силочувствительные резонаторы

В большинстве случаев это высокочастотные резонаторы с колебаниями сдвига по толщине, выполняемые в форме пластин либо выпуклых линз (табл. 5.1). Обычно используются резонаторы АТ-среза, реже ВТ-среза, а также двухповоротных срезов.



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 [20] 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45



0.0119