ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСТВО

О НЕОБЫКНОВЕННОМ МАНОМЕТРЕ

Оприкасающиеся тела давят друг на друга с некото­рой силой. Чернильница давит на стол; вода, нали­тая в сосуд, давит на его стенки; пар оказывает давление на поршень паровой машины.

Сила, воздействующая на соприкасающиеся тела, рас­пределяется по поверхности их соприкосновения. Извест­но, что лыжник пройдёт по самому рыхлому снегу, а пе­шеход, весящий столько же, сколько и лыжник, увязнет в снегу по колено. Это происходит оттого, что в первом слу­чае сила тяжести распределяется по значительно большей площади, чем во втором.

Сила, которая действует на каждую единицу площади соприкосновения тел, называется давлением. Давление обычно выражается в килограммах на квадратный санти­метр (кг/см2).

Одна и та же сила, будучи приложена к различным площадям, производит разное давление. И наоборот, раз­ные силы при определённых условиях вызывают одинако­вые давления. Так, например, граммофонная игла давит на пластинку почти так же, как колесо паровоза на рельс. В обоих случаях давление равно примерно 1000 кг/см2. Это может показаться невероятным: ведь вес паровоза исчисляется десятками тонн, тогда как мембрана грам­мофона весит немногим больше ста граммов. Однако ошибки здесь нет: в первом случае вес распределяется по значительной площади, а во втором — сосредоточивается на острие иглы.

Очень часто возникает необходимость в измерении дав­лений. Машинист паровоза должен знать, каково давление пара в котле. Если оно слишком мало — поезд остано­вится, если слишком велико — может произойти взрыв котла. Метеоролог, не зная атмосферного давления, не
сможет составить прогноз погоды. Врачу для определения болезни нередко требуется определить давление крови в кровеносных сосудах больного.

Измерение давлений производится, как известно, с по­мощью приборов, которые называются манометрами.

Простейший манометр представляет собой изогнутую стеклянную трубку, наполненную водой, ртутью или ка­кой-либо иной жидкостью (рис. 24). Одно из колен трубки соединяется с сосудом, где нужно измерить давление (например, с котлом), другой остаётся свобод­ным. На свободный конец трубки давит столб атмосферного возду­ха. Если давление внутри сосуда равно атмосферному давлению, то они взаимно уравновешивают­ся, и жидкость в обоих коленах находится на одном уровне. Если же давление в сосуде становит­ся больше атмосферного, то жидкость в свободном колене начинает подниматься, а в колене, присоединённом к сосуду,— опускаться. Это происходит до тех пор, пока вес избытка жидкости в свободном ко­лене не уравновесит разность давлений.

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 сантиметров показывает, что давление внутри сосуда на 10 г! см2 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 также для измерения очень больших давлений, например, в ци­линдре двигателя (из-за недостаточной прочности метал­лической трубки). Им нельзя измерять и резкие изменения давлений, происходящие в сотые и тысячные доли секунды.

Все эти 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. 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

Рис. 25. Устройство пьезо - электрических приборов, электрического манометра Рассмотрим устройство пье - для испытания паровых ма - зоэлектрического манометра, шин* применяющегося при испыта­

Нии паровых машин (рис. 25). 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 в, собранные так, что одноимён­ные заряды на их гранях складываются. Отрицательные заряды возбуждаются на электроде 4У а положительные — на корпусе манометра. Электрод 4 и корпус манометра соединяются проводниками с электрическим прибором,
служащим для измерения величины зарядов, а следова­тельно, и давления. Равномерное давление на пластинки обеспечивается стальным шариком 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, поскольку прочность кварца очень 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 исследуют давление, которое оказывает на рельсы проходящий поезд. В станко­строении определяют 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 давление соков в стеблях и стволах растений.