Для выбора конструкции датчиков осадков выполнены сравнительные испытания двух типов датчиков:
в виде двух гребенок-электродов, нанесенных на плоский диэлектрик (рис.7.27,а);
в виде полого цилиндра с нанесенными виток к витку электродами из медной проволоки (рис.7.27,б).
Сравнение двух конструкций датчиков выполнялось по следующим критериям:
минимальный размер капель влаги, приводящий при попадании на датчик к изменению его электропроводности на 50% и более;
расстояние между электродами, обеспечивающее отсутствие пробоя при приложении напряжения питания;
восстановление первоначальной электропроводности после многократных циклов увлажнения и высыхания датчиков.
Минимальная ширина дорожек (электродов) из фольги и минимальное расстояние между ними, которое удается получить методом травления, равны 0,4-0,5мм. Этой же величиной определяется и минимальный размер капли жидкости. Электрическое сопротивление сухого датчика более 10 МОм, однако после 10—15 циклов «увлажнение-высыхание» оно начинает снижаться, что объясняется образованием пленки соли.
После протирки поверхности спиртом сопротивление датчика восстанавливается. Следовательно, в процессе эксплуатации такого датчика потребуется периодическая обработка его поверхности. Кроме того, такая конструкция датчиков потребует выполнения его в виде многогранной пирамиды для ориентации по возможным направлениям гололедонесущих потоков, что усложняет его конструкцию.
Рис.7.27. Конструкция датчиков осадков
а - в виде двух гребенок-электродов, нанесенных на плоский диэлектрик; б - в виде полого цилиндра с электродами из медной проволоки
При выполнении датчика осадков по второму варианту и применении в качестве электродов медного провода диаметром 0,4—0,5мм со снятой термостойкой эмалевой изоляцией на внешней поверхности удается обеспечить сопротивление изоляции более 10МОм. При этом минимальный размер капли влаги составляет ~0,2-0,25мм. Снижения сопротивления датчика при многократных циклах «увлажнение-высыхание» не происходит, так как влага высыхает в углублениях между витками электродов на эмалевой изоляции.
В связи с вышеизложенным была выбрана конструкция датчика осадков по второму варианту (рис.7.27,б). В качестве полого цилиндра для нанесения обмотки использовано проволочное сопротивление ПЭВ-150, являющееся одновременно нагревательным элементом.
Принцип действия и конструкция датчика интенсивности гололедообразования
Принцип действии пьезорезонансного датчика.
Пьезоэлектрический резонатор (ПР) разновидность преобразователей электромеханического типа, основу которого составляет механический вибратор из
кристаллического или поликристаллического пьезоэлектрического материала. На вибратор (пьезоэлемент) наносится система из двух электродов, используемых для возбуждения в нем механических колебаний. Для соединения с источником электроэнергии ПР снабжается токопроводами, а для фиксации в конструкции - элементами крепления, выполнение которых должно быть таким, чтобы не вносить существенной погрешности в измерения при образовании на них гололедных отложений.
В основе работы ПР лежит обратный пьезоэффект, обеспечивающий преобразование входного электрического напряжения, подводимого к электродам, в механическое напряжение в теле вибратора. Как и всякое упругое твердое тело, вибратор обладает набором собственных частот механических колебаний, спектр которых определяется размерами и конструктивным выполнением вибратора, способом крепления, упругими свойствами пьезоматериала и типом деформаций в процессе колебаний.
Пьезорезонансный датчик (ПРД), используемый в метеопосте в качестве датчика интенсивности гололедообразования ДИГ, представляет собой измерительный преобразователь, в котором роль чувствительного элемента выполняет пьезоэлектрический резонатор на объемных акустических волнах, обладающий резонансными электрическими свойствами. В ПРД применен принцип модуляции частоты в функции измеряемого параметра, т.е. выходным параметром ПРД является частота сигнала. Управление частотой осуществляется воздействием на эквивалентную массу колебательной системы.
Таким образом, в метеопосте используется ПРД на основе масс- чувствительного ПР, использующий зависимость параметров резонатора от массы вещества, присоединенного поверхностью пьезоэлемента.
Выбор конструкции пьезорезонансного датчика. Универсальность пьезорезонатора как преобразователя физических величин определяется возможностью варьировать в широких пределах его свойства и избирательность реакций на воздействия различной физической природы. Большие ресурсы для управления свойствами преобразователя заложены в анизотропии пьезоэлектриков и многообразии типов колебаний вибратора. Использование указанных факторов и создает предпосылки к применению ПРД в качестве датчиков интенсивности гололедообразования в автоматических метеопостах.
Резонансная частота механической системы, содержащей пьезодатчик, зависит как от его массы, так и от приложенного к датчику деформирующего усилия. Для выбора оптимальной конструкции пьезодатчика проведены сравнительные испытания двух типов датчиков ДИГ:
крепление датчика осадков ДО2 с помощью консольной конструкции на основе пластины из пьезокерамики. При этом с помощью пьезодатчика происходит взвешивание гололедных отложений на датчике ДО2;
установка пьезодатчика в виде полого цилиндра. При этом взвешиваются гололедные отложения, образовавшиеся на самом датчике.
Результаты испытании датчика, выполненного по первому варианту. Параметры датчика осадков ДО2: длина 250 мм; диаметр d=25мм; масса т=400г; площадь поверхности S=20103mm2. Увеличение массы датчика ∆m при толщине стенки гололеда δ=0,5 мм с плотностью р=900кг/м3 составляет
Таблица 7.2
Изменение резонансной частоты для образцов пластин консольной конструкции различного сечения S0 из пьезокерамики (материал ЦТС-23) характеризуется данными, приведенными ниже (табл.7.2), где fр0 - резонансная частота датчика без гололеда; fрт - то же с увеличенной на 9г массой.
Результаты испытании датчика, выполненного по второму варианту. Параметры цилиндрического пьезодатчика: наружный диаметр d=28 мм, высота h=25 мм, площадь боковой поверхности S=2,2103 мм. Увеличение массы датчика Ат при толщине стенки гололеда δ=0,5 мм с плотностью р=900 кг/м3 составляет
Резонансная частота:
датчика без гололеда f0=33352 Гц;
датчика с увеличенной на 1 г массой 33328 Гц,
т.е изменение частоты составляет 24 Гц.
Приведенные результаты показывают, что приемлемые с точки зрения последующих измерений отклонения резонансной частоты 20 Гц и более могут быть достигнуты в первом варианте датчика при сечении консольной пластины из пьезокерамики менее 10мм2. Однако в этом случае требуемая механическая прочность крепления датчика ДО2 оказывается недостаточной.
Во втором варианте датчика взвешиваемая масса на порядок меньше, но изменение резонансной частоты оказывается вполне достаточным для выполнения измерений с требуемой точностью и нет проблемы механической прочности.
По приведенным и другим соображениям в качестве резонатора в автогенераторе датчика ДИГ выбран образец из материала ЦТС-23 в виде полого цилиндра с наружным диаметром 28мм, внутренним диаметром 22мм и высотой 25мм.
Высокая масс-чувствительность, присущая пьезорезонаторам, позволяет выполнять измерение микромасс гололедных отложений на резонаторе с достаточно высокой разрешающей способностью. Практически приращения массы могут регистрироваться с тем же разрешением, с каким регистрируются относительные изменения частоты.
Схема включения пьезорезонансного датчика. Возбуждение управляемого пьезорезонатора в измерительных преобразователях может осуществляться в режимах: автоколебаний, вынужденных колебаний, свободных колебаний.
В разработанном метеопосте ПРД выполнен с использованием автоколебательного режима. Применение ПРД по автогенераторной схеме позволяет наиболее просто и с достаточной точностью осуществить преобразование параметров управляемого резонатора в выходной сигнал.
В автоколебательном режиме пьезорезонатор используется в качестве частотозадающего элемента генератора. Режим автоколебаний поддерживается в схеме на частоте, близкой к частоте рабочего резонатора. Измеряемое воздействие модулирует собственную частоту ПР, что приводит к частотной модуляции несущей частоты на выходе автогенератора.
Автогенератор на основе пьезоэлектрического резонатора представляет собой замкнутую систему, содержащую усилитель и пьезорезонатор, включенный в цепи положительной обратной связи усилителя. К автогенератору предъявляются следующие основные требования:
- малая временная и режимная нестабильность;
- низкое потребление, что особенно важно при автономном питании датчиков;
- высокий уровень выходного сигнала;
- надежность возбуждения автоколебаний при изменении сопротивления резонатора в широких пределах;
- исключение паразитных колебаний;
- малый уровень выходных шумов;
- возможность работы с вынесенным на расстояние пьезорезонатором.
Из-за высокой стабилизирующей способности пьезо резонатора в схеме автогенератора все изменения частоты резонатора с высокой точностью воспроизводятся и на выходе автогенератора. Основными факторами, оказывающими воздействие на параметры пьезорезонатора, в том числе и на стабильность частоты, являются изменение температуры и естественное старение. В связи с этим наряду с требованием высокой добротности к пьезорезонатору должны предъявляться и не менее важные требования к стабильности его частоты.
Температурные погрешности ПРД могут снижаться структурными и конструктивными методами, а также путем повышения температурной стабильности частоты автогенератора. Влияние температуры на частоту автогенератора может быть снижено выбором термостабильного пьезорезонатора, использованием цепей термокомпенсации в автогенераторе или термостатированием схемы генератора.
Возможности снижения температурного дрейфа частоты за счет улучшения температурных характеристик резонатора, устанавливаемого на открытом воздухе, ограничены. Поэтому для построения автогенераторного ПРД метеопоста применена схема термокомпенсации генератора.