Принципы действия механотронных преобразователей

В этих приборах в качестве первичного преобразователя линейных перемещений в электрический сигнал используют так называемые механотроны. Механотрон — это вакуумная электронная лампа, в которой измеряемая линейная величина вызывает перемещение электродов, что ведет к значительным изменениям анодного тока лампы.

Механотроны обладают высокой чувствительностью, позволяют без усилителя получать мощный измерительный сигнал, имеют достаточно линейную характеристику.

В общем виде (рис. 54) прибор с механотронным преобразователем состоит из первичного преобразователя 1, измерительной схемы 2, которая преобразует сигнал механотрона в удобный для дальнейших измерений параметр, указательного устройства 4, командного устройства 3 и блока питания 6, который поддерживает напряжение питания на заданном уровне.

Наибольший интерес для линейных измерений представляют механотроны с продольным перемещением анода относительно катода (рис. 55, а), направление перемещения указано стрелками. Такое перемещение позволяет получить преобразователь высокой чувствительности. Представленный на рис. 55, а механотрон принципиально представляет собой лампу-диод с подогревным катодом, у которой расстояние между катодом К и анодом А изменяется вследствие изменений контролируемой линейной величины . В результате получается зависимость между анодным током лампы и расстоянием между анодом и катодом.

Рис. 55. Принципиальная схема (а) и характеристика (б) механотрона с продольным перемещением анода

При определенном значении , и некотором минимальном расстоянии наступает такой момент, когда анодный ток лампы не зависит от перемещения. Этот режим работы лампы называется режимом насыщения. Определенному значению напряжения соответствует и свой . Для нормальной работы механотрона необходимо, чтобы в процессе измерений расстояние между анодом и катодом никогда не достигало значений .

Характеристика механотрона имеет явно нелинейный вид (рис.55,б). Степенью нелинейности характеристики называется ее наибольшее отклонение от прямой, отнесенное к разности наибольшего и наименьшего значений анодного тока в данном диапазоне перемещений подвижного электрода:

(26)

Степень нелинейности характеристики можно определить по формуле

(27)

где

- относительное смещение подвижного электрода;

— начальное расстояние между анодом и катодом;

— перемещение подвижного электрода.

Из формулы видно, что нелинейность характеристики не зависит от анодного напряжения и определяется только относительным смещением электрода. При уменьшении и увеличении начального расстояния можно получить нелинейность характеристики, которая не будет превышать заданной. Значительно улучшить характеристику механотрона удается, применив специальные измерительные схемы и определенные значения сопротивлений анодной нагрузки лампы.

Для уменьшения влияния на результаты измерений (на ) колебаний питающего напряжения , колебаний температуры, а также для повышения чувствительности (при использовании мостовой схемы) применяют, как правило, двойные диоды. Наибольшее распространение получили двойные диоды типа 6МХ-1С (рис. 56).

Измеряемое перемещение воспринимается измерительным рычагом 3, на котором закреплены оба анода А. Расстояние от катода К до анодов меняется с разными знаками, что приводит к соответствующему изменению проводимости обеих половин лампы. Рычаг 3 подвешен к корпусу механотрона с помощью мембраны 4, герметизирующей внутреннюю полость лампы. Мембрана позволяет рычагу поворачиваться в любом направлении, но рабочим является перемещение, которое максимально изменяет расстояние между катодами и анодами. В этом случае достигается наибольшая чувствительность преобразователя.

Повышение жесткости подвески рычага механотрона в направлении, перпендикулярном к рабочему, достигается при помощи специальной растяжки 2, концы которой приварены к краям трубки 1, а середина — к рычагу. Благодаря такому конструктивному решению удается значительно уменьшить чувствительность механотрона к вредным перемещениям.

Крепление механотрона осуществляется при помощи металлической трубки 7, охватывающей мембрану. Трубка прикреплена к стеклянной оболочке 5 лампы. Трубка и мембрана должны иметь такой же коэффициент линейного расширения, как и стеклянная оболочка. Для оболочек механотронов обычно применяют стекло марки С-49-2, а для мембраны и трубки— сплав ковар 29HK. Указанные коэффициенты этих материалов равны. Это позволяет значительно уменьшить погрешности, связанные с тепловыми деформациями деталей механотрона. Измерительное усилие механотрона создается самой мембраной.

Механотрон имеет пять выводов, подсоединяемых к измерительной схеме: два анодных, один катодный и два накальных для подогрева катода.