CC BY
39
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
УДК 681.586 В. Е. ШИКИНА
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ РАСХОДА ЖИДКИХ СРЕД
Рассматриваются вопросы использования пьезоэлектрической керамики и РУБЕ плёнки в качестве материала для изготовления измерительного преобразователя расхода жидких сред.
Ключевые слова: датчик, пьезоэлектрическая керамика, пьезоэлектрическая плёнка.
Измерительный преобразователь (датчик) расхода жидких сред имеет форму полого цилиндра, является частью общего трубопровода и закрепляется на горизонтальном участке трубы путём врезки [2]. Датчик совершает изгибные колебания, частота которых в общем случае варьируется при изменении скорости течения жидкости. Для изготовления преобразователя используется пьезоэлектрический материал, поскольку, как известно, его применяют в устройствах, преобразующих механические воздействия в электрические сигналы и наоборот.
Как было сказано в [3], наиболее перспективными разновидностями пьезоэлектрических материалов для изготовления измерительного преобразователя расхода являются пьезокерамика и полимерные материалы в виде РУББ плёнок. Рассмотрим данные материалы подробнее.
Пьезокерамика широко используется для ультразвуковой диагностики в медицине, транспорте, энергетике, нефтегазовом комплексе. Она имеет большой коэффициент электромеханической связи, что необходимо для надёжного возбуждения колебаний в условиях большой акустической нагрузки. Отличительная особенность пьезокерамики состоит в том, что поляризация элемента может быть выполнена неоднородной и отличаться в отдельных областях по знаку и значению.
Основу большинства современных видов пьезокерамики составляют твёрдые растворы цирконата-титаната свинца (ЦТС) РЬ(Т1, 2г)03, модифицированные различными компонентами и добавками, получая таким образом марки ЦТС-19, ЦТС-22, ЦТС-23, ЦТС-24, ЦТС-28, ЦТС-35 и т. д. Каждая из них имеет своё значение механической добротности и темпера-
© Шикина В. Е., 2018
туры точки Кюри, а также свой диапазон рабочих температур.
Для керамики всего семейства составов характерны следующие свойства [4]:
- повышенная упругая податливость;
- очень высокое удельное объёмное электросопротивление ;
- слабое старение;
- легко осуществимая неупругая механическая деформация;
- жёлтая окраска;
- полупрозрачность.
В целом пьезокерамика ЦТС используется для изготовления высокочувствительных пьезо-керамических элементов, работающих в режиме приёма и излучения в условиях воздействия сильных электрических полей и механических напряжений. Кроме того, она используется для изготовления пьезокерамических элементов, обладающих повышенной стабильностью частотных характеристик в заданном интервале температур.
С точки зрения применения пьезокерамики марки ЦТС для изготовления цилиндра, по которому протекает измеряемая жидкость, это наиболее подходящий материал, поскольку пьезоке-рамика нечувствительна к влажности и другим атмосферным воздействиям. По своей структуре этот материал пористый, но поры закрытые, поэтому жидкости не впитываются, что является немаловажным фактором при конструировании измерительного преобразователя, работающего в непосредственном контакте с жидкой средой. Поэтому при изготовлении опытных образцов был использован именно этот материал. На рис.1 показан первичный преобразователь, выполненный из пьезокерамики ЦТС-19 (слева образцы только с входными электродами, справа - датчик в составе с рабочим трубопроводом, входными и выходными электродами и токопроводами для соединения с генератором и осциллографом).
Рис. 1. Внешний вид первичного преобразователя массового расходомера
Рис. 2. РУББ плёнка
Таблица 1
Технические характеристики полимерных плёнок
Российская марка Ф-2М
Мировой аналог РУББ Купаг
Толщина, мкм от 20 до 150
Относительное удлинение, 400
%, не менее
Прочность при разрыве, кгс/см2, 400-500
не менее
Электрическая прочность, кВ/мм, 60
не менее (для плёнок толщиной
100 мкм)
Интервал рабочих температур, °С от -50 до +130
Другим пьезоэлектрическим материалом, который возможно использовать для измерения расхода жидких сред, является РУББ плёнка или в отечественной промышленности плёнка из фторопласта (Ф-2М), являющаяся по своему составу модифицированным поливинилиден-фторидом (рис. 2).
Такие плёнки применяются в электронике в сенсорных переключателях, в качестве защитного покрытия в медицине и фармацевтике, а также для оперативного ремонта повреждённого участка лакокрасочного покрытия на внешней поверхности изделий авиационной техники.
Полимерные материалы в виде плёнок представляют собой слоевую структуру с аморфными зонами. Процесс производства пьезоплёнки включает получение ориентированной плёнки-заготовки путём вытяжки, металлизацию и поляризацию. После поляризации в сильном электрическом поле плёнка приобретает пьезоэффект. Для применения в пьезодатчиках плёнку обычно вытягивают в одном или двух направлениях так, чтобы её размеры увеличились в несколько раз.
В таблице 1 представлены основные технические характеристики полимерных пленок [1].
С точки зрения пьезоэлектрических свойств полимерные плёнки имеют близкие к пьезокерамике по значениям пьезомодули. Модуль упругости определяется величиной растяжения. Плёнки обладают свойством сохранять поляризацию при воздействии на них очень сильных переменных электрических полей, соответственно её максимальная деформация может быть достаточно большой. РУББ обладают долговременной устойчивостью к воздействию ультрафиолетовых лучей, устойчивостью к воздействию сильнодействующих химических веществ, таких как кислоты, высокой теплостойкостью и повышенной устойчивостью к воздействию пламени и дыма.
Кроме того, пьезоэлектрические плёнки обладают следующими свойствами:
- широкий частотный диапазон;
- хорошая временная стабильность;
- высокое выходное напряжение (в 10 раз выше, чем у пьезокерамики при одинаковых приложенных силах);
- высокая механическая прочность и ударостойкость;
- высокая устойчивость к влажности;
- возможность выполнять соединение различными видами клеев.
На практике полимеры РУББ используются при температурах до плюс 100°С, из них можно
получать произвольные формы датчиков. По сравнению с пьезокерамическими преобразователями датчики с использованием пьезоэлектрических плёнок обладают более широким частотным диапазоном, однако имеют ограничения по электромеханическому коэффициенту связи. По сравнению с пьезокерамическими датчиками данный коэффициент у плёнок РУББ довольно слабый, особенно на частоте резонанса и на низких частотах. Если на плёнку нанесены электроды, полученный датчик становится чувствительным к электромагнитному излучению.
Таким образом, проанализировав всю информацию по данному материалу, можно сделать вывод о том, что рассматривать РУББ плёнки для датчика расхода следует в перспективе. В таком случае пьезоплёнка оборачивает снаружи любой ровный участок рабочего трубопровода и закрепляется на нём. На плёнку наносятся электроды для получения на выходе значения частоты колебаний трубопровода под действием протекающей жидкости. Данная частота непосредственно связана с расходом среды. Преимуществом является накладная конструкция датчика, однако в этом случае возникают требования к трубопроводу, поскольку его характеристики и поведение в процессе измерения расхода могут влиять на чувствительность датчика.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бейдер Э. Я., Донской А. А., Железина Г. Ф., Кондрашов Э. К., Сытый Ю. В., Сурнин Е. Г. Опыт применения фторполимерных материалов в авиационной технике // Российский химический журнал. - 2008. - Т. 52, №3. -С.30-44.
2. Шикина В. Е. Изготовление цилиндрического пьезокерамического первичного преобразователя для массового расходомера жидкостей // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2014. -№4. - С. 93-101.
3. Шикина В. Е. Использование пьезоэлектрического материала для изготовления датчика массового расходомера жидкости // Вестник Ульяновского государственного технического университета (Вестник УлГТУ). -2013. - №3. -С. 72-74.
4. Яффе Б. Пьезоэлектрическая керамика. -М. : Мир, 1974. - 288 с.
5. http://www.elpapiezo.ru/Datasheets/S0FT.pdf.
Шикина Виктория Евгеньевна, старший преподаватель кафедры «Измерительно-вычислительные комплексы» УлГТУ.
Поступила 04.09.2018 г.
УДК 629.7.066; 629.7.04; 629.73
С. К. КИСЕЛЁВ, Е. И. СТЕПНОВА
ОЦЕНКА ЗРИТЕЛЬНОЙ ЗАГРУЗКИ ПИЛОТА ПО ПИЛОТАЖНО-НАВИГАЦИОННОЙ ИНФОРМАЦИИ НА ЭТАПЕ ПОСАДКИ ВОЗДУШНОГО СУДНА
Рассматривается метод оценки зрительной загрузки пилота по параметрической видеоинформации на этапе посадки воздушного судна (далее по тексту ВС). Предлагается новый способ предоставления пилоту пилотажной информации, позволяющий снизить нагрузку пилота за счёт отображения пилотажной информации в зависимости от этапа полёта.
Ключевые слова: индикатор, воздушное судно, приборная панель, пилотажная информация.
Согласно исследованию Boeing с 2007 по 2016 год [1] 10% авиационных происшествий происходит во время буксировки и рулении,
© Киселёв С. К., Степнова Е. И., 2018
6% при взлёте и наборе высоты, 11% во время крейсерского полёта, 3% на этапе снижения, 8% во время предварительного захода на посадку и 24% на этапе приземления и финального захода на посадку (рис. 1).
