Анализ пьезоэлектрических датчиков для статических измерений

Размещено на http://www.allbest.ru/

1.Принцип действия и устройство пьезоэлектрических датчиков

Пьезоэлектрические датчики для статических измерений не используются, так как заряд, возникающий на гранях пьезоэлемента под действием усилий, имеет очень малую величину, что создает опасность разряда его через утечку изоляции. Следовательно, заряд на гранях пластин может сохраниться сколь угодно долго при условии бесконечно большого входного сопротивления измерительной цепи, а это практически невыполнимо. Поскольку утечка зарядов при динамических процессах имеет малое значение (под действием переменных сил количество электричества все время восполняется), то пьезодатчики в основном применяются для измерения динамических величин.

Для уменьшения утечки зарядов необходима хорошая изоляция, для чего применяют янтарь, полистирол или полируют поверхность кварца. Так как величина заряда очень мала, то для измерения возникающих напряжений применяют усилители.

Обычно для увеличения чувствительности пьезодатчика применяют две или несколько пластинок, соединенных параллельно; при этом заряды одноименно заряжающихся плоскостей должны складываться. На рис. 3.10 приведена простейшая схема пьезоэлектрического датчика, состоящего из пластинок 1, и станиолевых прокладок 3, которые служат одним из выводов (-), а второй вывод имеет контакт с корпусом 2. Изоляционная прокладка 4 служит для уменьшения утечки зарядов.

На рис. 3.11 показан разрез пьезоэлектрического датчика силы. Действие датчика основано на преобразовании силы сжатия пьезокристалла в изменение электрических зарядов на его гранях. Измеряемое усилие F воспринимается мембранной 1, которая одновременно служит дном корпуса пьезодатчика. Чувствительным элементом датчика являются пластинки 2 из кварца, соединенные параллельно (для повышения чувствительности). В качестве положительного электрода служат наружные обкладки кварцевых пластин. Средняя обкладка изолируется относительно корпуса с помощью кварца, обладающего большим удельным сопротивлением. Отрицательный потенциал, снимаемый с латунной фольги 3, подается на вход электронной измерительной схемы через соединительный экранированный кабель 5. В корпусе предусмотрено отверстие для удобства монтажа жилы соединительного кабеля с выводом от фольги. Сверху отверстие закрывается специальной пробкой 4.

Чувствительность пьезодатчика при параллельном соединении пластинок [2]:

где К₀ - пьезоэлектрическая постоянная (пьезомодуль); n - число параллельно соединенных пластин; С₀ - емкость одной пластины (датчика); С_вх - емкость измерительной цепи (емкость проводов, соединительного кабеля и др.).

Физические свойства материалов, применяемых в пьезодатчиках

Кварц

К достоинствам относятся:

· большая механическая прочность;

· незначительная зависимость параметров от температуры;

· высокие изоляционные свойства;

· невысокая стоимость;

· линейность характеристики.

Основные параметры:

? пьезоэлектрическая постоянная или пьезомодуль, К₀ = 2,2 х 10^-12 Кл/Н;

? относительная диэлектрическая проницаемость е_r=4,5; модуль упругости в направлении, перпендикулярном оптической оси Е=(70-90)10⁹ Па;.

Сегнетова соль

Преимуществом сегнетовой соли является большая величина пьезоэлектрической постоянной К_о=300х10^-12 Кл/Н; относительная диэлектрическая проницаемость е_r=205.

Недостатки:

· малая механическая прочность;

· малое значение удельного сопротивления;

· очень сильная гигроскопичность.

Датчики, изготовленные из сегнетовой соли, получили применение лишь для измерения быстропеременных сил и давлений при малой влажности среды. При изменении температуры и влажности сегнетова соль изменяет свои параметры.

Титанат бария

К достоинствам относятся:

· высокая механическая прочность;

· независимость параметров от изменения влажности.

Недостатки:

· изменение пьезоэлектрической постоянной при температуре свыше 100 ⁰С (К_о изменяется незначительно лишь в температурном диапазоне 15-100 °С);

· с течением времени происходит старение титаната бария, т. е. он теряет свои основные свойства (примерно на 20 % в течение двух лет).

· Основные параметры:

· пьезоэлектрическая постоянная К_о=107х 10^-12 Кл/Н;

· относительная диэлектрическая проницаемость е_r ?1500.

Механическую силу необходимо прикладывать в направлении поляризации, при этом заряды возникают на гранях, перпендикулярных направлению поляризации.

За последнее время разработаны новые пьезоэлектрические материалы на основе метаниобатов свинца и бария, обладающие более высокой температурной стойкостью - до 200 ⁰С. Они получили применение для измерения ускорений. Нашли применение также такие материалы, как турмалин с пьезоэлектрической постоянной К_о=1,9х10^-12 Кл/Н. Турмалин может применяться для измерения гидростатического давления в жидкости. К недостаткам турмалина следует отнести значительно большую по сравнению с кварцем температурную зависимость пьезомодуля. Кроме того, он редко встречается в природе и дорог, что ограничивает его применение.

Вибропреобразователь ВК-315А

Государственный реестр средств измерений № 22234-01

Вибропреобразователь ВК-315А - пьезоэлектрический акселерометр с выносной электроникой.

Настоящие технические условия распространяются на вибропреобразователи пьезоэлектрические с усилителями согласующими (далее по тексту - предусилителями) серии ВК-310 (далее по тексту - вибропреобразователи).

Вибропреобразователи предназначены для применения в составе аппаратуры непрерывного вибрационного контроля, защиты и вибродиагностики турбоагрегатов, питательных насосов, двигателей электрических станций, нефтеперекачивающих и газокомпрессорных станций и других промышленных объектов.

Вибропреобразователи серии ВК-310 состоят из пьезоэлектрического преобразователя (далее - датчика) соединенного с согласующим усилителем (далее -предусилителем) и выпускаются в двух модификациях, отличающихся конструктивным исполнением.

Конструктивно пьезоэлектрический датчик и предусилитель вибропреобразователей ВК-310Х собраны в едином корпусе.

Вибропреобразователи ВК-312Х и ВК-315Х имеют выносной предусилитель, соединенный с пьезоэлектрическим датчиком специальным кабелем. Соединение неразборно и герметично. Вибропреобразователи серии ВК-310 имеют маркировку взрывозащиты 0ExiaIICT5 X и могут применяться во взрывоопасных зонах помещений и наружных установок согласно маркировке взрывозащиты, гл. 7.3. ПУЭ, ГОСТ Р 51330.13-99 (МЭК60079-14-96) и другим нормативным документам, регламентирующим применение электрооборудования, расположенного во взрывоопасной зоне.

· Измеряемый параметр - мгновенное значение виброскорости.

· На выходе формируется выходной сигнал переменного тока, пропорциональный мгновенному значению виброскорости.

· Пьезоэлектрический преобразователь (датчик) подключается к согласующему усилителю специальным кабелем в металлорукаве. Соединение герметично и не разборно.

· Питание вибропреобразователя от источника постоянного напряжения по измерительной цепи (двухпроводная линия).

· Маркировка взрывозащиты "0ExiaIIСТ5 X".

· Подключение через клеммную колодку.

· Материал корпуса - нержавеющая сталь.

Рис.

Технические характеристики:

Диапазон преобразования по СКЗ виброскорости:

0,1 … 30 мм/с

0,1 … 100 мм/с

Диапазон рабочих частот: 10

1000 Гц

20000 Гц

Диапазон рабочих температур:

для датчика - 40 … + 250 °С

для усилителя

- 30 … + 60 °С

Относительный коэффициент преобразования на базовой частоте 45 Гц: 0,05 мА/мм/с

Напряжение питания: 5 ... 30 В

Неравномерность АЧХ в диапазоне 20 ... 750 Г ± 10 %

Отклонение коэффициента преобразования от номинального значения, не более: ± 5 %

Масса датчика без кабеля и согласующего усилителя: 50 г

Габаритные размеры датчика (без кабеля): 52 х 38 х 40 мм

Габаритные размеры согласующего усилителя: 93,5 х 58 х 37,1 мм

Вибропреобразователи ВК312, ВК312С-1, ВК315А, ВК315С-1

Согласующие усилители вибропреобразователей ВК312, ВК312С-1, ВК315А, ВК315С-1 крепятся на двух невыпадающих винтах. Для установки использовать шестигранный ключ S3

Рис.

Вибропреобразователи ВК 312С, ВК 315С

Согласующие усилители вибропреобразователей ВК312С, ВК315С крепятся на двух невыпа-дающих винтах.

Для установки использовать шестигранный ключ S3

Рис.

· Вибропреобразователи серии ВК-310 имеют маркировку взрывозащиты "0Ех1аПСТ5 Х" и могут использоваться во взрывоопасных зонах помещений и наружных установок согласно маркировке взрывозащиты, гл. 7.3. ПУЭ и другим нормативным документам, регламентирующим применение электрооборудования, расположенного во взрывоопасной зоне.

· Ограничения до безопасных значений реактивных параметров нагрузок, подключаемых к искробезопасным разъемам вибропреобразователей, с учетом линии связи: индуктивность - не более 100 мкГн, емкость - не более 0,1 мкФ.

Блок схема вибропреобразователей серии ВК-310 с выделенными цепями обеспечения взрывозащищенности прибора приведена на рисунке 1. Позиционные обозначения элементов, используемые по тексту ниже и на схеме рисунка 1, соответствуют схемам электрическим принципиальным вибропреобразователей.

Ток разряда разделительных и интегрирующих конденсаторов ограничен неповреж-даемыми резисторами R35...R37. Установленный на входе диодный мост защищает выходные цепи от разряда при переполюсовке. Резисторы R26, R27, R31, R32, установленные на выходах вибропреобразователей играют роль дополнительных демпферов, исключающих возможность возникновения искры при повреждении внешних линий связи. Нагрузка на всех элементах, обеспечивающих искрозащищенность схемы вибропреобразователей (стабилитроны и токоо-граничительные резисторы) не превышает 2/3 допустимых значений их тока и мощности.

Устройство и работа вибропреобразователей.

· Вибропреобразователи ВК-310Х состоят из первичного пьезоэлектрического преобразователя (далее - датчик) и согласующего усилителя (далее предусилитель), собранных в едином корпусе, с изолирующим основанием.

· Вибропреобразователи ВК-312Х и ВК-315Х состоят из датчика и предусилителя, смонтированного в отдельном корпусе, соединенных вибро- и термоустойчивым кабелем. Соединительный кабель может быть уложен в металлорукав. Соединение датчика и предусилителя герметично и неразборно.

· Обобщенная структурная схема вибропреобразователей типа ВК-310 приведена на рис.1

· Вибропреобразователи устанавливают на контролируемом оборудовании направлением оси основной чувствительности параллельно направлению контролируемых колебаний. Требования к поверхности и присоединительные размеры приведены в приложении 3 настоящего РЭ.

· Пьезоэлектрический преобразователь преобразует механические колебания в электрический заряд, который поступает на усилитель заряда согласующего усилителя-преобразователя.

· На выходе усилителя заряда формируется напряжение, пропорциональное мгновенному значению виброускорения. Это напряжение подается на выход вибропреобразователя (только для ВК-310А) и на интегратор.

· На выходе интегратора формируется напряжение пропорциональное мгновенному значению виброскорости, которое через буферный усилитель поступает на выход вибропреобразователя - для ВК-312С и ВК-315С, на вход детектора истинного СКЗ, на вход преобразователя напряжение-ток и далее на выход вибропреобразователя - для ВК-310, ВК-312 и ВК-315А. Сигнал на выходе детектора СКЗ пропорционален СКЗ виброскорости контролируемого объекта.

· С выхода детектора СКЗ сигнал поступает на буферный усилитель и далее на выход вибропреобразователя и для вибропреобразователей с индексом "С" (ВК-310С, ВК-312С, ВК-315С), на вход преобразователя напряжение-ток. На выходе преобразователя формируется унифицированный токовый сигнал "4-20 мА" пропорциональный значению виброскорости контролируемого объекта.

· Следует обратить внимание, что для вибропреобразователей имеющих только токовый выход, используется двухпроводная схема подключения (токовая петля). Такая линия связи отличается высокой помехоустойчивостью и отсутствием перекрестного влияния каналов друг на друга при прокладке нескольких пар линий связи в общем жгуте.

· Для подключения к внешним цепям на корпусе согласующего усилителя (преобразователя - для ВК-310) устанавливается либо разъем, либо клеммная колодка, либо выводится соединительный кабель с клеммными наконечниками. Конкретные вид

· исполнения - тип разъема, схема подключения, назначение контактов клеммной колодки и соединительного кабеля - указывается в паспорте на каждый преобразователь.

2.Требования безопасности

пьезоэлектрический датчик схема

· Требования безопасности должны соответствовать ГОСТ 12.2.007-75.

· По способу защиты человека от поражения электрическим током вибропреобразователь относится к классу III по ГОСТ 12.2.007-75.

· При установке вибропреобразователей, соединительные кабели должны быть надежно закреплены на корпусах контролируемых объектов.

· При эксплуатации изделия не допускается расположение кабелей в непосредственной близости с валами и другими вращающимися частями контролируемых объектов без ограждений.

· При монтаже вибропреобразователей необходимо выполнять требования инструкции по эксплуатации аппаратуры, в состав которой входят вибропреобразователи.

3. Требования по надежности

· Наработка на отказ при P(t)= 0,95 должна быть не менее 2000 часов.

· Средний срок сохраняемости (у=90%) при условии, что до введения в эксплуатацию, вибропреобразователи хранятся на складах в упаковке предприятия-изготовителя при температуре окружающего воздуха (+5-+40)°С и относительной влажности 80%, должен быть не менее 2 лет.

· Средний срок службы «Тср» должен быть не менее 10 лет.

· Отклонение значения коэффициента преобразования вибропреобразователей ВК-310С и ВК-312С от номинального значения, вызванное отклонением напряжения питания от номинального на ± 5% , должно быть не более ± 1% от действительного значения.

· Вибропреобразователи модификации ВК-312Х и ВК-315Х должны состоять из пьезоэлектрического датчика и выносного предусилителя смонтированных в отдельных корпусах, соединенных вибростойким кабелем в металлорукаве.

· Сопротивление изоляции между корпусом и изолированными по постоянному току электрическими цепями должно быть не менее 20 Мом.

· Длина линий связи, соединяющих вибропреобразователи и вторичные блоки, не должна превышать 1000 м при этом: сечении жил должно быть S > 0,75 мм², емкость линии связи должна быть С_доп < 0,1 мкф, индуктивность линии связи должна быть Ь_доп < 0,1 мГн.

Технические требования и характеристики.

· Технические параметры и характеристики вибропреобразователей должны соответствовать значениям, представленным в таблице 1.

· Вибропреобразователи должны выпускаться со встроенным или выносным пре-дусилителем.

· Вибропреобразователи модификации ВК-310Х должны состоять из первичного пьезоэлектрического вибропреобразователя (далее - датчик) с предусилителем, смонтированных в едином корпусе.

· Размещено на Allbest.ru