страница 1 | страница 2 страница 3 страница 4 ... страница 7 | страница 8
2.5 Преобразователи температуры
В СТДМ для измерения температур и других величин, преобразованных в температуру, используют термопары и терморезисторы. Термопары относятся к подгруппе генераторнных, а терморезисторы к – подгруппе параметрических преобразователей.
Термопары (термоэлектрические преобразователи) основаны на эффекте возникновения ЭДС в цепи двух разнородных проводников или полупроводников (термоэлектродов 1 и 2, рисунок 7, а), если температура t1 места соединения (рабочий или горячий спай) отличается от температуры t2 других концов (холодный или нерабочий спай). Таким образом, термо-ЭДС Ет является функцией температур t1 и t2, т.е.
Ет=f1(t1)- f2(t2) (2.10)
Проводниковые терморезисторы основаны на изменении сопротивления проводников под действием температуры. Их выполняют в виде катушки из тонкого провода на каркасе или без него (рисунок 7, б). Катушку прижимают к ОД или помещают в защитном чехле (рисунок 7, в) в среду, температуру которой измеряют. Конструктивно термисторы выполняют в виде отформованного полупроводникового стержня с контактными колпачками и выводами (рисунок 7, г). Разновидностью этих термисторов являются герметизированные типы, заключенные в металлические капсулы и имеющие стеклянный проходной вывод (рисунок 7, д).
Рисунок 7 – Преобразователи температуры
В СТДМ широко используют каплевидные термисторы (рисунок 7, е). Полупроводниковый элемент этих термисторов, с помощью которых можно оперативно, путем перестановки, измерять температуру во многих точках ОД.
2.6 Преобразователи электрических величин
К преобразователям электрических величин, используемым в СТДМ, относятся шунты, добавочные резисторы, резистивные и емкостные делители напряжения, измерительные трансформаторы переменного тока, преобразователи мощности переменного тока, бесконтактные преобразователи постоянного тока.
Шунты применяют для расширения пределов измерения магнитоэлектрических приборов по току, преобразования токов в падение напряжения при измерениях приборами с большим входным сопротивлением, а также в качестве нагрузочных резисторов при диагностировании аккумуляторных батарей.
В соответствии с рисунком 8, а имеем:
 (2.11)
где Rш – сопротивление шунта;
Iи – измеряемый ток;
Rп, Iп – сопротивление прибора и ток в его цепи.
Шунты обычно снабжают двумя парами зажимов, пара 1-1 служит для включения шунта в цепь измеряемого тока, а пара 2-2-для подключения прибора. Этим исключают погрешность измерений от падения напряжения на контактах и на соединительных проводах. Шунты на малые пределы измерения по току выполняют из манганиновой проволоки, а на большие – из манганиновых пластин или лент. Универсальные приборы, например, для диагностирования электрооборудования автомобилей различных марок снабжают многопредельными шунтами, представляющими собой один шунт с необходимым числом отводов. Для расширения пределов измерений шунты применяют в основном при измерениях постоянного тока с приборами магнитоэлектрической системы. Это объясняется тем, что только приборы магнитоэлектрической системы могут быть выполнены для измерения малых падений напряжений (несколько милливольт). В качестве преобразователей тока в напряжения при подключении высокоомных электронных приборов или электронных осциллографов шунты используют для измерений постоянных и переменных токов.
Добавочные резисторы применяют для расширения пределов измерения относительно низкоомных приборов при использовании их для измерения напряжения. К таким приборам относят микро- и миллиамперметры, гальванометры светолучевых осциллографов, самописцы с измерительными механизмами магнитоэлектрических или электромагнитных систем.
При включении добавочного резистора (рисунок 8, б) ток в цепи прибора:
 (2.12)
где Uи – измеряемое напряжение;
Rд – сопротивление добавочного резистора.
Добавочные резисторы выполняют в виде катушек из манганиновой проволоки или из литого микропровода в стеклянной изоляции. Для измерений в цепях переменного тока применяют бифилярную намотку.
Резистивные делители напряжения применяют главным образом для расширения пределов измерений приборов, имеющих высокое входное сопротивление (электронные осциллоскопы, электронные аналоговые и цифровые вольтметры).
Коэффициент преобразования резистивного делителя напряжения (рисунок 8, в):
 (2.13)
где Uи и Uп – измеряемое напряжение и падение напряжения на входе прибора;
R1 и R2 – сопротивления плеч делителя.
      
Рисунок 8 – Схемы преобразователей электрических величин
Емкостные делители напряжения применяют для подключения приборов или промежуточных преобразователей к высоковольтным цепям переменного или импульсного тока, например к цепям систем зажигания карбюраторных двигателей, поскольку такого рода делители позволяют осуществлять соединение с ОД без гальванической связи, а следовательно без рассоединения его цепей.
На рисунке 8, г показана схема емкостного делителя напряжения. При использовании емкостного делителя для измерений в системе зажигания двигателя конденсатор С1 образуется специальным клеммовым зажимом, одеваемым при диагностировании на провод свечи или на центральный провод распределителя.
Трансформаторы тока представляют собой замкнутый сердечник из листовой электротехнической стали (или специальных сплавов) с первичной и вторичной обмотками (рисунок 8, д).
Измерительные трансформаторы напряжения (рисунок 8, е). Вторичный ток в измерительных трансформаторах напряжения определяется потреблением тока прибором, включенным на его выход, и не превышает обычно 20…30 мА. Поэтому трансформатор напряжения работает в условиях, близких к режиму холостого хода.
Преобразователи активной мощности. В СТДМ для измерения активной мощности, потребляемой ОД, кроме стрелочных и самопишущих ваттметров применяют гальваномагнитные преобразователи, основанные на эффекте Холла. Эффект Холла возникает в полупроводнике в результате отклонения электронов под действием приложенного магнитного поля. Преобразователь Холла представляет собой тонкую пластину 5 из полупроводникового материала (рисунок 9, а). Выводы 1 и 2 служат для подключения преобразователя к объекту измерения, а выводы 3 и 4 – для подключения измерительного прибора.
Если преобразователь поместить в магнитное поле и вектор магнитной индукции В будет направлен перпендикулярно плоскости пластины, то при протекании тока в цепи выводов 1, 2 на выводах 3, 4 появится ЭДС Холла.
Для измерения активной мощности на переменном токе и мощностей или токов в цепях постоянного тока преобразователь Холла размещают в зазоре кольцевого магнитопровода (рисунок 9, б). В центре кольца 6 размещают проводник 7, по которому протекает измеряемый ток.
Рисунок 9 – Преобразователь активной мощности
При измерениях в цепях постоянного тока к выводам 1 и 2 (рисунок 9, а) преобразователя подключают постоянное напряжение неизменной величины, тогда ЭДС на выводах 3 и 4 будет пропорциональна току, протекающему через проводник, расположенный в центре кольцевого магнитопровода.
2.7 Фотоэлектрические преобразователи
Фотоэлектрические преобразователи выполняют преобразование фотонов света в электрический сигнал. Их подразделяют на преобразователи с внешним и внутренним фотоэффектом. К первым относят электровакуумные фотоэлементы и фотоумножители; ко вторым - полупроводниковые (фоторезисторы и др.).
Основными характеристиками, определяющими свойства фотоэлектрических преобразователей, являются спектральные характеристики, показывающие зависимость чувствительности преобразователя от длины волны падающего света, и световые (интегральные) характеристики, отражающие зависимость величины фототока или изменения сопротивления от интенсивности светового потока при неизменном спектральном составе света и неизменном электрическом режиме в цепи преобразователя.
Для характеристики способности к преобразованию слабых сигналов применяют понятие пороговой чувствительности (минимальная мощность оптического излучения, создающая на нагрузке преобразователя сигнал, равный напряжению шумов). Для выбора рабочего режима фотоэлектрического преобразователя необходимо также знать вольт-амперную характеристику фотоэлектрического преобразователя.
Преобразователи с внешним фотоэффектом. В этих преобразователях кванты света, достигая чувствительности поверхности (фотокатода), выбивают фотоэлектроны, которые увлекаются внешним электрическим полем, создавая фототок. Для работы в видимой части спектра используют напыленные фотокатоды из щелочных металлов: лития, натрия, цезия, калия, рубидия с подложками из слоя серебра, сурьмы или окисленного слоя висмута.
Практическая работа №3 Конструкции первичных преобразователей, применяемые в СТДМ
Цель работы: Изучение конструкций первичных преобразователей.
Задачи работы: Дать студентам понятие о конструктивном оформлении первичных преобразователей применительно к конкретным диагностируемым объектам.
После выполнения работы студент должен
Знать: различные варианты конструктивного оформления измерительных преобразователей.
Уметь: разрабатывать конструкции измерительных преобразователей применительно к различным условиям производства испытаний.
Для измерения зазоров и низкочастотных виброперемещений в СТДМ используют тензорезисторные, индуктивные и емкостные преобразователи. Один из конструктивных вариантов тензорезисторного преобразователя перемещения показан на рисунке 10, а. Корпус преобразователя крепят к неподвижной части ОД. Штифт 1 упирается в подвижную часть с некоторым нажимом так, чтобы вызвать начальный прогиб консольной балки 2 с наклеенными на нее транзисторами 3. после этого мостовую схему, в которую включены тензорезисторы, балансируют. Изменение прогиба балки вызывает деформации тензорезисторов, пропорциональные величине прогиба. Такой преобразователь обеспечивает измерение перемещений до 1…10 мм при коэффициенте преобразования (0,5…2)10-2 1/мм. Для получения других диапазонов измерений тензорезисторных преобразователей можно применять упругие чувствительные элементы в виде П-образных скоб, колец, арок и т.п.
На рисунке 10, б показана конструкция индуктивного дифференциального преобразователя перемещений. Преобразователь образован двумя коаксиальными цилиндрами 5 и 6, которые могут перемещаться относительно друг друга. Катушки расположены во внутреннем цилиндре, а якорь 7 механически связан с наружным цилиндром. При взаимном перемещении опор 4 якорь смещается относительно катушек 8, что вызывает разбаланс схемы, в которую преобразователь включен. Для градуировки или применения метода измерения с механической компенсацией на наружном цилиндре преобразователя установлена микрометрическая головка 9, с помощью которой можно осуществлять известные по величине перемещения якоря. Внутренний цилиндр залит прочным изоляционным материалом, поэтому такой преобразователь не чувствителен к высокой влажности и может работать даже в воде.
  
а – тензорезисторный
б – индуктивный
в – емкостной
Рисунок 10 – Преобразователи перемещений
Конструкция миниатюрного емкостного преобразователя для измерения виброперемещений показана на рисунке 10, в чувствительным элементом преобразователя является металлический диск 10, который расположен на расстоянии 1…5 мм от вибрирующего ОД 11. Используя в комплекте с преобразователем стандартные усилители для конденсаторных микрофонов, можно измерять виброперемещения очень малых амплитуд. Такой преобразователь виброперемещения типа ММ0004 имеет выходной сигнал 0,9 В (напряжение питания 200 В) при двойной амплитуде перемещения ~1 мм и начальном расстоянии преобразователя от ОД 0,5 мм.
3.1 Преобразователи скорости и частоты вращения
Для измерения этих параметров в СТДМ применяют индукционные и фотоэлектрические преобразователи. На рисунке 11, а показана конструкция индукционного преобразователя линейной скорости (велосиметра), имеющего механический контакт с ОД. В корпусе 1 закреплен постоянный магнит 2. Вокруг магнита расположен каркас 4 с катушкой 5. Каркас соединен с корпусом через упругие подвесы 3. при измерении линейной виброскорости преобразователь механически соединяют через сферический наконечник 6 с ОД.
Бесконтактное измерение виброскорости ОД можно осуществлять с помощью индукционного бесконтактного велосиметра, конструкция которого показана на рисунке 11, б. Катушка 7 расположена в цилиндрическом магните 8. Такой велосиметр типа ММ0002 имеет коэффициент преобразования 150 мВ/(м·с-1) при расстоянии от торца велосиметра до ОД 2 мм.
На рисунке 12, а показана конструкция импульсного индукционного преобразователя, который используют для измерения частот вращений при установке клинообразного конца якоря преобразователя вблизи зубьев шестерен, зубчатых колес или шлицевых валов.
Рисунок 11- Индукционные преобразователи линейной скорости
Генерируемый на выходе таких преобразователей сигнал обычно достаточен для запуска серийных частотомеров без применения согласующих усилителей. Индукционный преобразователь надежен в работе и не требует источника питания. К числу недостатков можно отнести чувствительность к магнитным помехам и зависимость крутизны и амплитуды выходного импульса от частоты вращения. Этих недостатков лишены фотоэлектрические преобразователи. Простейший фотоэлектрический преобразователь с обтюратором, установленным на ОД, показан на рисунке 12, б. Круглые отверстия или щели обтюратора перекрывают поток света, падающий от лампочки на фотодиод, что вызывает появление на выходе фотодиода импульсов, частота следования которых пропорциональна частоте вращения обтюратора.
Более удобны для СТДМ фотоэлектрические преобразователи частоты вращения, работающие по методу отражения. В таком преобразователе на фотодиод, или фотоприемник другого типа, падает отраженный свет от вращающейся составной части ОД, например вала. На вал краской или липкой лентой наносят метки, которые изменяют интенсивность отраженного света.
С помощью фотоэлектрических преобразователей, основанных на методе отражения, можно измерять скорости поступательного движения, например штоков гидравлических цилиндров ОД, если на них нанести метки.
Еще более эффективны фотоэлектрические преобразователи, работающие с источником инфракрасного излучения. На работу такого преобразователя не влияет световой фон. Например, инфракрасный фотоэлектрический преобразователь типа ММ0012, работающий по методу отражения, генерирует импульсы с амплитудой ~ 100 мВ, если он установлен на расстоянии 10 мм от метки из белой бумаги. Для измерения частот вращения до 6000 об/мин могут быть применены преобразователи на основе герконов (рисунок 12, в) или бесконтактных путевых выключателей типа БК.
Наибольшее применение, особенно для реализации виброакустических методов диагностирования, находят пьезоэлектрические акселерометры, в которых пьезоэлементы работают на растяжение –сжатие, сдвиг или изгиб.
Акселерометры с чувствительными элементами, работающими на изгиб, характеризуется низкой собственной частотой, малой вибрационной и ударной прочностью, они не получили широкого применения в СТДМ.
На рисунке 13 показаны конструкции пьезоэлектрических акселерометров, работающих на растяжения-сжатие и сдвиг.
В акселерометре (рисунок 13, а) инерционная масса прижата к пьезоэлементу дисковой пружиной, которая натянута центральным стержнем. Конструкция отличается высокой резонансной частотой при пониженной чувствительности к окружающей температуре и аккустическому шуму.
 
а – индукционный
б – фотоэлектрический с обтюратором
в – на основе геркона
1 – якорь
2 – изоляционная втулка
3 – гайки
4 – магнит
5 – обмотка
6 – корпус
7 – фотодиод
8 – обтюратор
9 – лампочка
10 – геркон
11 – немагнитный диск.
Рисунок 12 – Преобразователи частоты вращения
В акселерометре (рисунок 13, б) пьезоэлемент расположен между инерционной массой и крышкой, которая опирается на цилиндрический корпус. Инерционная масса так же, как и в акселерометре, показанном на рисунке 13, а, прижата дисковой пружиной, натянутой центральным стержнем. Этим обеспечена еще лучшая изоляция чувствительного элемента от деформаций основания.
Пьезоэлемент акселерометра (рисунок 13, в) работает на сдвиг. Такая конструкция способствует уменьшению габаритных размеров преобразователя; при достаточно высокой резонансной частоте акселерометр мало чувствителен к изменению внешних условий.
Другой вариант конструкции акселерометра с пьезоэлементами, работающими на сдвиг, показан на рисунке 13, г. В акселерометре три пьезоэлемента расположены по граням центральной стойки, имеющей треугольное сечение. Инерционные массы сегментного сечения установлены между пьезоэлементами и стягивающим кольцом. Последнее создает большие радиальные силы прижатия инерционных масс к пьезоэлементам, благодаря чему пьезоэлементы не имеют клеевых соединений, что, в свою очередь, обеспечивает высокую степень линейности и стабильности функций преобразования, а также малую чувствительность к изменению окружающей температуры.
 
а, б – работающие на растяжение-сжатие
в, г – работающие на сдвиг
1 – дисковая пружина
2 – инерционная масса
3 – пьезоэлементы
4 – корпус
5 – призматический трехгранный стержень
6 – стягивающее кольцо
Рисунок 13 – Пьезоэлектрические акселерометры
В СТДМ применяют серийные пьезоэлектрические акселерометры типов: Д11, Д13, Д14, Д24, Д28, ИС-312, ИС-313А, ИС-579А, ИС-597.
Для измерения низкочастотных ускорений относительно небольших величин, например при диагностировании (по величине замедления) тормозов автомобилей или грузоподъемных машин применяют тензорезисторные акселерометры. На рисунке 14 показан акселерометр типа МП-02. Измерение перемещения инерционной массы 3 здесь переводится безосновными подвесными тензорезисторами 2. Тонкая тензочувствительная проволока (~30мкм) в местах контакта с опорными штифтами 1 вызывает значительные контактные давления. Для стабилизации характеристик акселерометра эти штифты выполняют из рубина. Начальное натяжение решеток тензорезисторов осуществляют с помощью регулировочного винта 4, который позволяет разжимать боковые стенки корпуса 5. Инерционная масса и тензорезисторы размещены в герметизированном корпусе, в который для демпфирования залита поликсилоксановая жидкость. Такие акселерометры выпускают с диапазонами измерения ±6 и ±15g, частотные характеристики соответственно линейны до 10 и 20 Гц.
Рисунок 14 – Низкочастотный тензорезисторный акселерометр МП-02
страница 1 | страница 2 страница 3 страница 4 ... страница 7 | страница 8
|