Александр Плонский - Пьезоэлектричество

Величину давления в сосуде определяют по разности уровней жидкости в коленах трубки. Если трубка наполнена водой, то каждый сантиметр разности уровней означает давление в 1 грамм на квадратный сантиметр. Разность уровней в 10 см показывает, что давление внутри сосуда на 10 г/см 2 больше атмосферного.

Очень распространён также манометр, состоящий из изогнутой металлической трубки и рычажного механизма со стрелкой. Один из концов трубки запаян, а другой соединён с сосудом, в котором измеряется давление. При повышении давления в сосуде трубка манометра распрямляется и приводит во вращение стрелку. Чем больше давление, тем сильнее отклоняется стрелка.

Описанные приборы не лишены недостатков. С помощью жидкостного манометра можно измерять лишь сравнительно небольшие давления. При быстрых отклонениях давления он не успевает отмечать происшедшие изменения, что влечёт за собой ошибки.

Механический манометр тоже недостаточно совершенен. Он имеет низкую чувствительность и мало пригоден для измерения слабых давлений. Непригоден он и для измерения очень больших давлений, например, в цилиндре двигателя (из-за недостаточной прочности металлической трубки). Таким прибором также невозможно измерять резкие изменения давлений, происходящие в сотые и тысячные доли секунды.

Упомянутые недостатки заставили учёных заняться поисками новой, более совершенной системы манометра, способной измерять и очень слабые и очень большие давления, а также регистрировать процессы, которые происходят в кратчайшие периоды времени.

Было разработано несколько типов манометров, отвечающих современным техническим требованиям и среди них — пьезоэлектрический манометр.

Мы уже знаем, что под воздействием давления на гранях пьезоэлектрической пластинки возбуждаются электрические заряды, величина которых пропорциональна давлению. Во сколько раз увеличивается давление, во столько раз возрастает и количество электричества на гранях пластинки. А эту величину можно измерить с помощью специальных электрических приборов.

Рассмотрим устройство пьезоэлектрического манометра, применяющегося при испытании паровых машин (рис. 26).

Рис. 26. Устройство пьезоэлектрического манометра для испытания паровых машин .

Переходная трубка 1 соединяет манометр с цилиндром паровой машины. Давление пара воздействует на мембрану 2 и через специальную шайбу 3 передаётся на две кварцевые пластинки 8 , собранные так, что одноимённые заряды на их гранях складываются. Отрицательные заряды возбуждаются на электроде 4 , а положительные — на корпусе манометра. Электрод 4 и корпус манометра соединяются проводниками с электрическим прибором, служащим для измерения величины зарядов, а следовательно, и давления. Чтобы обеспечить равномерное давление на пластинки, применяется стальной шарик 6 . Величину начального давления устанавливают при завинчивании крышки 7 .

Благодаря высокой упругости кварца пластинки под давлением сжимаются незначительно. Поэтому мембрана 2 почти не перемещается, и манометр мгновенно отмечает малейшее изменение давления.

Пьезоэлектрические манометры пригодны для измерения очень малых давлений, так как даже самое ничтожное количество электричества на электродах пластинок может быть усилено посредством специальных устройств — усилителей, как это делается, например, в радиоприёмниках. Но такими манометрами можно измерять и огромные давления, так как прочность кварца велика.

К числу достоинств пьезоэлектрических манометров относится также возможность измерения давлений на расстоянии. При этом непосредственно на исследуемом объекте устанавливается только сам манометр. Усилительное же устройство и измерительные приборы могут удаляться на значительное расстояние, поскольку связь между ними и манометром осуществляется по проводам. В обычных механических манометрах такая связь требует сложного передаточного устройства с рычажным механизмом или особого трубопровода.

Пьезоэлектрические манометры применяются в ряде отраслей народного хозяйства нашей страны. На железнодорожном транспорте с их помощью исследуется давление, которое оказывает на рельсы проходящий поезд. В станкостроении определяются давления и усилия, возникающие при работе станков.

В метеорологии начинают находить применение пьезоэлектрические барометры — приборы для измерения атмосферного давления.

Были разработаны и пьезоэлектрические методы измерения кровяного давления, а также давления соков в стеблях и стволах растений.

Представьте себе следующий довольно обычный случай из повседневной жизни.

…По улице движется трамвай. Внезапно вожатый замечает на линии зазевавшегося пешехода; он быстро выключает ток и поворачивает рукоятку тормоза. Движение трамвая мгновенно замедляется: пробежав несколько метров, он останавливается. В этот момент пассажиры ощущают резкий толчок вперёд, по ходу вагона.

Убедившись, что опасность миновала, вожатый снова включает ток, и трамвай трогается, набирая скорость. При этом пассажиры вторично испытывают толчок, но теперь в сторону, обратную движению вагона.

В обоих случаях рывки, которые испытывали пассажиры, были вызваны силой, обусловленной инерцией (инерция — свойство тел сохранять состояние покоя или прямолинейного и равномерного движения). Инерцией объясняется и движение трамвая при выключенном моторе.

Влияние инерции не исчерпывается вышеприведённым примером. С ней человек встречается на каждом шагу. Часто можно наблюдать как движется с разгона автомобиль с выключенным мотором или, не работая педалями, едет велосипедист. Их движение также обусловлено инерцией.

Чем больше масса тела, то есть количество вещества в нём, тем больше и инерция. Тяжёлый вагон труднее сдвинуть с места или затормозить, чем лёгкую тележку. Поэтому иногда говорят, что масса — это мера инерции тел.

Между массой тела, его ускорением (приростом скорости за одну секунду) или замедлением (потерей скорости за одну секунду) и силой инерции существует прямая зависимость. Чем больше масса тела и его ускорение (или замедление), тем больше эта сила. Такой закон механики иногда формулируют следующим образом: сила равна произведению массы на ускорение.

Непрерывный рост скоростей современных машин придаёт особую важность вопросам измерения ускорений. Конструктор самолёта, зная возможную величину ускорения, рассчитывает, какие силы инерции будут воздействовать на машину в полёте, и отсюда находит необходимую прочность деталей. Правильность расчёта проверяется затем лётчиком-испытателем, испытывающим опытный образец самолёта в полёте. При выходе из пикирования, то есть из крутого, почти отвесного падения, самолёт резко теряет скорость, в этот момент детали машины и организм лётчика подвергаются громадной нагрузке, которая вызвана инерцией. Чтобы предупредить возможность разрушения самолёта, необходимо знать величину допустимого ускорения. Эта величина и устанавливается во время испытательного полёта.