Электрические индикаторы мощности в двигателе

Электрические индикаторы основаны на использовании различных физических явлений: пъезоэффект, электромаг­нитная индукция, фотоэффект и т. п. Все они состоят из следующих трех основных элементов.

Чувствительный элемент — датчик, воспринимающий воздействие из­меряемой величины, генерирует электрическую величину или в нем проис­ходят изменения этой величины (емкости, сопротивления, индуктивности).

Вторым элементом является усилитель, иначе, электрический преобра­зователь, в который поступают сигналы из датчика. Электрический преоб­разователь поступившие сигналы преобразует в электрический ток, изме­няющийся по закону изменения измеряемой величины.

Третьим элементом является прибор, показывающий или записывающий силу тока или напряжение. Таким прибором при измерении давления газов в цилиндре является осциллограф.

Большое применение из электрических индикаторов для измерения давления газов в цилиндре двигателя получили индикаторы, основанные на использовании пьезоэлектрического эффекта. Названное явление заклю­чается в том, что при воздействии (сжатие или растяжение) на кристалл не­которых материалов (кварца, турмалина и др.) в определенном направлении на поверхности его возникает электрический заряд. Величина этого заряда пропорциональна действующему усилию на кристалл, а потому может служить мерой этого усилия.

Кристаллический кварц, как обладающий большой механической прочностью и малой зависимостью пьезоэлектрических свойств от температуры, получил наибольшее применение в пьезоэлектрических индикаторах.

На рис. 190 показана принципиальная схема пьезоэлектрического индикатора.

Датчик Д имеет две кварцевые пластины К, между которыми располо­жен изолированный электрод. При сжатии кварцевых пластин на их сто­ронах, обращенных к электроду, возникает заряд отрицательной полярности. Указанный заряд заряжает конденсатор С и сетку электрометрической лампы Л₁ до некоторого отрицательного потенциала, величина которого опреде­ляется величиной заряда и емкостью сеточного контура лампы. Возникаю­щий анодный ток лампы слишком мал для записи осциллографом, а потому он усиливается лампой Л₂, на сетку которой подается напряжение, снимае­мое с сопротивления R₁. В цепь анодного тока лампы Л₂ включается шлейф осциллографа О и параллельно включается через регулируемое сопротивление R₄ батарея Б для компенсации нулевого тока усилителя. Точность измерения пьезоэлектрическим индикатором в основном зависит от чув­ствительности датчика и от того, какую он имеет частоту собственных коле­баний и как мало чувствителен к изменению температуры. Чувствитель­ность датчика определяется величиной заряда, возникающего при изме­нении давления на 1 кГ/см². Величина заряда датчика пропорциональна числу кварцевых пластин и зависит от площади мембраны, воспринимающей давление, и от распределения давления между кварцевыми пластинами и корпусом датчика. Предварительный натяг в соединениях датчика устра­няет влияние жесткости на чувствительность его.

На рис. 191 показан пьезокварцевый датчик конструкции ЦНИДИ, в котором предварительный натяг осуществляется пружиной 7. Выводной электрод 1 имеет изолятор 2 из органического стекла и соединяется с изоли­рованным электродом 5, расположенным между кварцевыми пластинами 6. Корпус датчика 4 имеет полости для охлаждения 8, куда подводится охлаж­дающая вода по трубке 3. Мембрана 10 уплотняет полость датчика, воспри­нимает и передает давление газов с помощью грибка 9 кварцевым пласти­нам.

На рис. 192 показан пьезокварцевый датчик ЦНИДИ, приспособленный для измерения давления в топливопроводе дизеля. Датчик имеет: выводной электрод 1, изоляционную втулку 2, нажимной штуцер 3, стержень 4, силь­фон 5, корпус 6, опорный камень 7, контргайку 8, кварцевую сверленую пластину 9, изолированный электрод 10, кварцевую несверленую пла­стину 11, направляющее кольцо 12 и переходный штуцер 13.

Наряду с пьезокварцевыми датчиками применяются датчики, основан­ные на изменении омического сопротивления проводника пропорционально действующему давлению или деформации. Из датчиков сопротивления на­ходят применение полупроводниковые (угольные) датчики и проволочные.

В угольном датчике чувствительным элементом является столбик графи­товых дисков диаметром 9—10 мм и толщиной около 1 мм. С изменением давления на этот столбик изменяется его электрическое сопротивление, при этом указанная зависимость имеет нелинейный характер. Для измере­ния давления в цилиндре двигателя угольные датчики не применяются вследствие чувствительности их к температурным изменениям.

Проволочные датчики, основанные на изменении электрического сопро­тивления проводников при деформации их, получили применение не только для измерения деформаций и напряжений, но и применяются для измерения давления в цилиндре двигателя.

В последнем случае проволочный датчик наклеивается на наружную поверхность тонкостенного стального цилиндра вдоль его оси, располагае­мого внутри корпуса датчика. Усилием газов цилиндр сжимается, вследствие чего происхо­дит деформация проволочного датчика.

Получили применение и так называемые емкостные датчики, основанные на изменении  электрической емкости их при изменении дей­ствующего давления или перемещения пластин датчика. Емкостные датчики для измерения давления в цилиндре дви­гателя применяются с изменяющимся расстоянием между пластинами его (откладками конденсатора).

Неподвижная изолированная пластина в таком датчике закрепляется в непосредственной близости от мембраны, которая под давлением газов изменяет свой прогиб и тем самым изменяет зазор. Емкость датчика обратно пропорциональна расстоянию между пластинами. Чувствительность дат­чика и линейность зависимости давления и емкости его улучшаются при введении в зазор пластинки из материала с высокой диэлектрической по­стоянной (например, из слюды).

Для измерения давления также нашли применение и индукционные датчики, основанные на использовании электромагнитной индукции в ка­тушке, находящейся в магнитном поле, возникающей при изменении ин­тенсивности поля или при перемещении самой катушки. Такие датчики имеют небольшие габариты, высокую частоту собственных колебаний и малую за­висимость от температуры, однако обладают существенным недостатком — невозможность статического тарирования их.

Осциллографы применяются двух типов:

1.         Электронные осциллографы, чувствительным элементом которых является электроннолучевая трубка, а запись процесса осуществляется электронным лучом на флюоресцирующем экране.

2.         Шлейфные осциллографы, чувствительным элементом которых яв­ляется магнитоэлектрический прибор-вибратор (шлейф), а запись процесса осуществляется световым лучом.

Для записи давления газов в цилиндре двигателя (для съемки индика­торной диаграммы) более приемлемым является переносный многошлейф­ный осциллограф, схема которого показана на рис. 193. Световой луч от ртутной лампы 1 через конденсатор 2, щелевую диафрагму 3 и отклоняющую призму 4 падает на зеркальце шлейфа 5. Отраженный пучок лучей проходит через призму 6 на многогранное зеркало 7 и отражается на матовое стекло 8. Часть луча, отраженного от зеркальца шлейфа, попадает через цилиндриче­скую призму 9 на фотобумагу 10.

Измерительной частью этого осциллографа является вибратор (шлейф), схема которого приведена на рис. 194.

Вибратор состоит из петли тонкой проволоки 1, помещенной в магнит­ное поле постоянного магнита 2.

Концы петли прикреплены к выводным зажимам 8, а середина переки­нута через натяжной ролик 4; опирается петля на опорные призмы 3 и 7. В средней части рабочего участка петли приклеено маленькое зеркальце 6. Ролик 4 имеет натяжную пружину 5. При поступлении на зажимы 8 элек­трического импульса от датчика через усилитель, вследствие противополож­ного направления тока проволоки петли будут отклоняться в разные сто­роны, а потому зеркальце 6 повернется на некоторый угол вокруг вертикаль­ной оси, причем угол отклонения зеркальца будет пропорционален силе про­текающего тока по проволоке-петле. Направленный луч света от лампы 1 (см. рис. 193) будет отклоняться от своего первоначального направления также пропорционально силе тока. Таким образом, колебания силы тока вызывают пропорциональные колебания зеркальца шлейфа, а следователь­но, и светового луча, которые визуально наблюдаются на матовом стекле 8 или фиксируются на фотобумаге 10 (см. рис. 193). При записи индикаторной диаграммы на фотобумагу или пленку элемент времени вводится путем дви­жения пленки с определенной скоростью поперек плоскости колебаний светового луча. Для визуального наблюдения за процессом многогранное зер­кало должно вращаться со скоростью, соответствующей частоте исследуе­мого процесса. При этом углы падения и отражения светового луча от зер­кала будут одинаковыми для одних и тех же периодов процесса, а потому изображения их будут накладываться одно на другое и глазом это будет воспринято как неподвижное изображение.