2830

Комплексы контроля параметров ГТД. Канал измерения давления

Контрольная

Производство и промышленные технологии

Комплексы контроля параметров ГТД. Канал измерения давления  Назначение, функции, состав приборов контроля силовых установок. Требования к точностным характеристикам. Системы контроля и измерительные информационные системы – это системы, п...

Русский

2012-10-20

2.36 MB

31 чел.

Комплексы контроля параметров ГТД. Канал измерения давления

  1.  Назначение, функции, состав приборов контроля

силовых установок. Требования к точностным

характеристикам.

Системы контроля и измерительные информационные системы – это системы, предназначенные для количественной оценки состояния параметров объекта исследования или управления путём проведения различных операций измерения, обработки измерительной и контрольной информации, хранения, передачи и выдачи её в виде именованных чисел, графиков, суждений и т.п. человеку, вычислительной машине или системе управления.

Измерительные информационные системы контроля и управления силовых установок современного самолёта включают системы контроля, обработки и представления информации о техническом состоянии двигателей самолёта, вспомогательной силовой установки, масляной и топливной систем.

Таким образом, информационная измерительная система авиационных силовых установок должна осуществлять:

  •  непрерывный контроль состояния силовой установки в условиях полета для обеспечения летчика краткой и достоверной информацией в данный момент времени;
  •  регистрацию информации, нужной для оценки измерения и прогнозирования состояния ответственных деталей, узлов и систем с целью обеспечения необходимыми данными службы технической эксплуатации.

Реализация этих функций позволит предотвратить вторичные разрушения в двигателе, повысить эксплуатационную надежность и безопасность полетов, сократить трудозатраты на техническую эксплуатацию и расход запасных частей, а также время простоев самолетов.

Информационные системы включают в себя аппаратуру для получения исходных данных (датчики), электронную аппаратуру для обработки этих данных и устройства отображения и регистрации данных.

Они применяются как в полете — для анализа данных и установления диагноза, сообщения экипажу четкой рекомендации по производству полета и указания на ремонт, необходимый по прибытии к месту назначения, так и на стоянках— для указания вида ремонта самолета и его систем (по месту стоянки или в мастерских), и ремонтных мастерских — для сведения до минимума затрат на ремонтные работы за счет точного диагноза неисправностей и реализации метода технического обслуживания и «по фактическому состоянию».

При применении систем контроля предусматривается непрерывный опрос датчиков на всех этапах работы двигателя, включая переходные режимы (запуск, приемистость и выключение).

Правильность измерения параметров обеспечивается путем отсева заведомо выпадающих значений. Чтобы исключить влияние помех, выбирается соответствующая частота опроса, а полученные значения осредняются. Одновременно параметры проверяются на превышение установленных пределов для выдачи сигналов предупреждения.

Рис. 1. Информационная измерительная система силовой установки

На рис. 1 показана система силовой установки, в которой наряду с традиционным комплексом приборов контроля, автоматом дозировки топлива 11 и блоком автоматического запуска 10 применяется устройство для ввода программ контроля 4, узел ручного ввода программ 5, преобразователь аналоговых и дискретных сигналов 2, счетно-решающее устройство 7, коммутатор 8, блок памяти 6, устройство ручного ввода команд 3, органы управления 1, устройство 9, выдающее информацию в регистратор и кабину экипажа.

В связи с применением машинной обработки параметров возникли возможности повышения точности измерений путем использования систем коррекции, алгоритмов измерения средних значений при наличии помех различного характера, а также схем анализа и выделения динамических показателей контролируемой характеристики.

Причинами снижения достоверности выходной информации могут быть:

  •  воздействие помех при передаче, хранении и переработке информации;
  •  отказы и сбои в работе аппаратуры;
  •  структурные и алгоритмические ошибки;
  •  использование  недостоверных  входных данных;
  •  ошибки человека как звена системы.

Датчики в системах контроля являются особо важным звеном, которое в достаточной мере определяет качество всей системы. Поэтому к ним предъявляются особые требования по точности, надежности, способности работать в жестких условиях окружающей среды. Необходимо отметить, что надежность датчиков должна быть в несколько раз выше надежности двигателя, так как для экипажа и любой вычислительной машины отказ датчика чаще всего равнозначен отказу всего двигателя. В этом случае возникает необходимость в логической и очень быстрой обработке ряда параметров, а также резервирования датчиков, причем, с точки зрения надежности предпочтительно измерение одного параметра датчиками, использующими различные принципы измерения и в разной степени испытывающие воздействия окружающей среды.

Из всех внешних воздействий, существенно влияющих на точность измерения, основными являются климатические воздействия, и в первую очередь, температурные.

  1.  Канал измерения давления

  1.  Разновидности датчиков давления, их назначение.

Приборы, предназначенные для измерения давления называются манометрами. По назначению авиационные манометры делят на манометры, измеряющие абсолютное давление, разность давлений (дифференциальные) и отношение двух давлений.

Дифференциальные манометры используются для измерения избыточных давлений жидкостей и газов в различных отсеках авиационных двигателей (в топливной системе, системе смазки и т.д.).

Манометры абсолютного давления (моновакууметры) применяются для измерения давления во всасывающих системах.

Манометры отношения давлений служат для контроля степени сжатия газов в различных ступенях газотурбинных двигателей.

Помимо манометров со стрелочной индикацией, на летательных аппаратах широко применяются сигнализаторы и датчики давлений. Сигнализаторы давлений включают электрический сигнал при выходе измеряемого давления за допустимые для нормальной работы двигателя пределы. Датчик давления выдает электрический сигнал, пропорциональный измеряемому давлению и используемый для автоматического управления системами ЛА или для дальнейшей передачи на указатели в дистанционных манометрах.

По методам измерения давления манометры можно разделить на следующие группы:

  •  механические (недистанционные), в том числе жидкостные, весовые и пружинные.
  •  электромеханические, в которых механический чувствительный элемент сочетается с электрической дистанционной передачей.
  •  электрические, в том числе электронные, газоразрядные, радиоактивные, тепловые пьезорезисторные.

При использовании чисто механических манометров давление должно подводиться с помощью трубопроводов непосредственно к приборной доске самолета. Наличие трубопроводов снижает эксплуатационную надежность системы (из-за возможной разгерметизации системы в случае поломки трубопровода) и приводит к запаздыванию показаний при измерении давления. Именно этот фактор обуславливает бесперспективность развития недистанционных манометров. От этих недостатков избавлены дистанционные электромеханические манометры, в которых датчик, содержащий механический чувствительный элемент с электрическим преобразователем, устанавливается непосредственно у объекта измерений. При этом электрические сигналы, снимаемые с датчика, передаются по электропроводам и воспринимаются расположенным на приборной доске электроизмерительным прибором или используется в системах автоматического регулирования.

Датчиком давления измерительно-информационной системы называют конструктивную совокупность одного или нескольких измерительных преобразователей, размещаемых непосредственно у объекта измерений и преобразующих измеряемые  (контролируемые) давления в величины удобные для передачи по каналам связи и дальнейшего преобразования.

Рис. 5. Структурная схема датчика давления

В измерительных упругих элементах происходит преобразование измеряемого  давления в усилие, которое деформирует упругий элемент и уравновешивается возникающими в нем упругими силами. В чувствительном элементе датчика происходит преобразование физической величины, в данном случае деформации упругого элемента, в электрический сигнал.

2.2Чувствительные элементы датчиков давления

Чувствительные элементы определяются упругой характеристикой, чувствительностью, жесткостью, эффективной площадью (для мембран и сильфонов), резонансными частотами и точностью преобразования измеряемого параметра.    

Упругой характеристикой принято называть зависимость между перемещением  λ  определенной (измерительной) точки упругого элемента и величиной нагрузки  Р (давление). Конструкция, способ заделки и вид нагружения упругого элемента определяют его характеристику, которая может быть линейной и нелинейной, возрастающей или затухающей.

Нелинейностью  η  характеристики называют наибольшее отклонение  Δmax  действительной характеристики (полученной экспериментально) от теоретической линейной, отнесенное к наибольшему перемещению измерительной  λmax точки упругого элемента, обычно выражаемое в процентах:

Чувствительность  S  упругого элемента является одним из основных его параметров и выражается отношением:

.

Для упругих элементов с линейной характеристикой:   

.

Понятие эффективной площади вводят для мембран и сильфонов: 

,

где  Q – сила, которую развивает мембрана или сильфон в измерительной точке под воздействием давления р. 

Эффективную  площадь определяют по приближенным формулам.

Резонансные частоты колебаний упругих элементов датчиков в значительной степени определяют их динамические характеристики и запаздывание в преобразовании измеряемого давления. В практике резонансные частоты определяют  в основном экспериментальным путем.

Типы упругих элементов

Таблица 1

Типы упругих элементов.Конструктивная схема

Наименование

Тип датчика

Расчетные зависимости

Габаритные размеры, мм

Балка, заделанная с двух сторон

Тензорезисторные датчики контактных давлений:

;

h = 0.1 - 0.3 , l = 2 - 5 , b = 2 - 4

Цилиндрическая пружина сжатия

Гальваномагнитные датчики

давления.

,

где С – жесткость; n – число рабочих витков.

Dср = 2 - 3 ,d = 0.1 - 0.2 ,h = 6 -15

Струна

Частотные датчики давления

; ;

d = 0.05 - 0.2 , l = 40 – 100


Продолжение таблицы 1

Конструктивная схема

Наименование

Тип датчика

Расчетные зависимости

Габаритные размеры, мм.

Плоская мембранная плита, выполненная за одно целое с корпусом датчика.

Применяется в емкостных датчиках, рассчитанных на высокие давления.

D=11 ,  h=1

Плоская мембранная плита с жестким центром.

Емкостные на высокие давления.

D=11 , d=1 - 2 , h=1

Плоская мембрана, защемленная с двух сторон в корпус датчика.

Полупроводниковые

Датчики давления

D=2.5 - 10 , h=0.2 - 05

Плоская сварная мембрана

Тензорезисторные, гальваномагнитные и емкостные датчики давления.

D=5 - 20 , h=0.1 - 0.4

Плоская мембрана с выпуклым жестким центром.

Тензорезисторные датчики контактных давлений

D=2.5 - 4  ,  h=0.1- 0.2


Продолжение таблицы 1

Конструктивная схема

Наименование

Тип датчика

Расчетные зависимости

Габаритные размеры, мм.

Плоская колпачковая мембрана

Тензорезисторные датчики давления

D = 3 – 10 , h = 0.05 – 0.17

Гофрированная

мембрана с

тороидальным краевым гофром и линейной

характеристикой.

Тензорезисторные и

гальваномагнитные датчики давления

D = 20 - 35 , h = 0.05 – 0.1

Малогабаритный

сварной сильфон.

Гальваномагнитные датчики давления

D = 3 –5  , l = 5 - 10

Точечный сильфон с одним гофром,

работающий на изгиб.

Струнные датчики давления

D=12 , h=0.2

Обычный

малогабаритный

сильфон

Гальваномагнитные датчики давления

D = 10 - 40 , h = 0.1 - 0.2

Балка равного

сопротивления

Тензорезисторные датчики давления

h = 0.1 - 0.5 , l = 10 - 20

2.3Схемы включения датчиков давления.

Основными схемами включения тензометрических датчиков давления, применяемыми в настоящее время, являются мостовые схемы. Представленные схемы могут быть выполнены как на переменном, так и на постоянном токе.

Для проведения измерений в одно или несколько плеч моста включаются резистивные измерительные преобразователи. При изменении сопротивлений тензорезисторов изменяется напряжение в измерительной диагонали моста. Это напряжение является выходным сигналом моста. Чувствительность мостовой схемы определяется как отношение максимально ожидаемого изменения выходного напряжения Vo к напряжению питания (возбуждения) моста Vв:

.

Рис. 9. Схемы включения мостов.

На практике применяются различные конфигурации мостовых схем. На рисунке 9 приведены различные схемы включения мостов, их выходные напряжения и нелинейность.

Четвертьмостовая конфигурация имеет один чувствительный резистор.  Зависимость выходного сигнала такого моста от отклонения сопротивления ΔR одного из резисторов от номинала нелинейна.   

Полумостовая конфигурация имеет два идентичных активных резистивных преобразователя. Коэффициент передачи такой схемы в 2 раза выше чем у четвертьмостовой и зависимость выходного сигнала от ΔR линейна.

Полномостовая конфигурация имеет максимальный выходной сигнал и линейна по своей природе. Кроме того, такая схема является одним из эффективных способов температурной компенсации у полупроводниковых тензорезисторов. Выходной сигнал такого моста практически не зависит от температурного “ухода” сопротивлений, так как тензорезисторы находятся в одинаковых температурных условиях и изменение их сопротивлений взаимно компенсируется. Даная схема широко применяется в прецизионных тензорезистивных преобразователях, выпускаемых промышленностью.

2.4Полупроводниковые тензодатчики

Датчики давления в которых в качестве чувствительного элемента используются металлические или полупроводниковые тензорезисторы называют тензометрическими. Тензометрический датчик измеряет силу косвенным методом – путем измерения деформации калиброванного элемента, вызванной действием данной силы. Для измерения давления можно конвертировать его упругим элементом в силу, а затем измерить её тензометрическим методом.

Полупроводниковые тензодатчики используют пьезорезистивный эффект – изменение удельного электрического сопротивления при механических напряжениях. Они обладают в 30…70 раз большей чувствительностью чем металлические, но имеют слишком большой температурный коэффициент сопротивления и высокую нелинейность функции преобразования. Их используют в приложениях где вариации температуры малы, важна величина чувствительности и не требуется высокой точности измерений (погрешность на уровне нескольких процентов).

Принцип работы полупроводниковых тензорезисторов (ПТ) заключается в следующем: области энергии кристалла состоят из нескольких эквивалентных энергетических минимумов; приложение одноосного напряжения вызывает изменение ориентации минимумов, в результате этого зарядоносители перераспределяются; так как зарядоносители обладают различной подвижностью на разных уровнях, то средняя подвижность зарядов изменяется и вызывает изменение удельного сопротивления.   Коэффициент тензочувствительности ПТ:

,

где  - относительное изменение длины ПТ;  Е - модуль продольной упругости материала ПТ. Коэффициент тензочувствительности у ПТ высок (более 150). У приклеенных на упругий элемент тензорезисторов коэффициент меньше, чем у тензорезисторов в свободном состоянии, за счет влияния переходного слоя клея.

 Большинство выпускаемых ПТ изготовляют из кремния. Кристаллы ПТ, используемых на практике, обычно легируются до величины удельного сопротивления от 0.02 до 0.2 Ом*см. Пластину ПТ вырезают из монокристалла кремния, шлифуют и затем вытравливают до получения необходимой толщины (0.03 – 0.05 мм) или получают вытягиванием из переохлажденного полупроводникового расплава (дендриды германия и кремния). ПТ можно также получать кристаллизацией из паров кремния, при этом они приобретают нитевидную форму.

Полупроводниковые тензодатчики давления чувствительны к ударам, вибрациям, ядерной радиации и другим внешним воздействиям, однако основным фактором, вызывающим погрешности в измерениях давления, является изменение температуры окружающей среды, что ограничивает их применение на борту самолета.

Выходной электрический сигнал  датчика давления и его полный дифференциал можно представить в следующем виде:

;    

 ,

и в линеаризованном виде:  

,

где  и  - соответственно чувствительность датчика по давлению и температуре.

Линеаризация допустима, поскольку статические характеристики датчиков линейны в пределах  ± 1.5 % верхнего предела измерений. Температурные характеристики датчиков должны представляться в виде двух зависимостей:

;       .

2.5.Металлические  тензодатчики

Металлический тензодатчик представляет собой основание с закрепленным на нем резистивным элементом. Измеряемое давление преобразуется в силу с помощью упругого элемента. Под действием силы основание с закрепленным элементом изменяет свои размеры (сжимается или растягивается), и тензорезистор, под действием механического напряжения изменяет свое сопротивление. Сила,воздействуя на  проволочку (площадью сечения   А, длиной L, с удельным сопротивлением ρ ), вызовет удлинение или сжатие последней, что приведет к пропорциональному увеличению или уменьшению ее сопротивления:

; ,

где S – характеризует тензочувствительность (значение 2.0..4.5 для металлов),  - относительное изменение длины проволочки.

Наклеиваемый тензодатчик состоит из тонкой проволочки или проводящей фольги, закрепленной на плоской пластине. Эта конструкция затем приклеивается на основание. Датчик обычно устанавливается так, чтобы его наиболее длинная сторона была ориентирована в направлении измеряемой силы. Такие датчики характеризуются малой площадью поверхности, малой утечкой, высокой изоляцией.

Фольговые датчики являются наиболее популярной версией наклеиваемых тензодатчиков. Они изготавливаются методом фототравления и используют те же металлы, что и проволочные датчики     (константан, нихром, сплав никеля с железом и т. д.). Металлофольговый тензодатчик характеризуется большой площадью, стабильностью в диапазоне температур, малым поперечным сечением, хорошим рассеиванием тепла.

Проволочные датчики имеют малую поверхность связи с основанием, что уменьшает токи утечки при высоких температурах и дает большее напряжение изоляции между чувствительным элементом и основанием. С другой стороны, фольговые чувствительные элементы имеют большое отношение площади поверхности к площади поперечного сечения (чувствительность) и более стабильны при критических температурах и длительных нагрузках. Большая площадь поверхности и малое поперечное сечение также обеспечивают хороший температурный контакт чувствительного элемента с основанием, что уменьшает саморазогрев датчика.

2.6.Пьезорезонансные датчики

Пьезорезонансными называются датчики давления, в которых роль чувствительного элемента выполняет пьезоэлектрический резонатор. Они являются датчиками параметрического типа, в которых преобразование давления осуществляется в результате модуляции параметров пьезорезонатора (ПР).

Основа ПР – механический вибратор из кристаллического или поликристаллического пьезоэлектрического материала. На вибратор наносится система из двух или более электродов, используемых для возбуждения в нем механических колебаний. Для соединения с источником электрической энергии ПР снабжается токопроводами, а для фиксации в присоединенной конструкции – элементами крепления. В основе работы ПР лежит пьезоэффект, обеспечивающий преобразование входного электрического напряжения, подводимого к электродам, в механические напряжения в теле вибратора (обратный пьезоэффект) и ответную реакцию по выходу в виде зарядов на электродах, возникающих в результате деформаций вибратора под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект).

В конструктивном отношении преобразователи давления могут быть разделены на две группы:

  1.  в которых чувствительный резонатор работает в прямом контакте со средой;
  2.  в которых резонатор отделен от среды разделительным (упругим) элементом.

Рис. 3. Основные разновидности пьезорезонансных датчиков давления

М – мембрана; К – корпус; УЭ – упругий элемент; ЖЦ – жёсткий цетр.

Большинство пьезорезонансных датчиков давления строится с использованием разделительных упругих элементов. Разделительные элементы обеспечивают оптимальные условия работы резонаторов, делают возможной вакуумизацию или герметизацию рабочей пластины с пьезоэлементом, что повышает добротность и снижает старение ПР. Упругие элементы могут подбираться так, что на различные диапазоны измерения может быть использован один номинал ПР.

Контакт между резонатором и упругим элементом может осуществляться только в свободных от колебаний областях ПР. По возможности следует исключать воздействие на пьезоэлемент поперечных, скручивающих и других нагрузок, способных разрушить ПР. Упругий элемент должен обеспечивать деформации пластины-резонатора строго в плоскости пьезоэлемента. Стабильная работа резонатора обеспечивается только в вакууме или герметизированном объеме, заполненным инертным газом (гелием).

Недостатки пьезорезонансных датчиков:

  1.  Зависимость частоты от давления в диапазоне от 0 до 50 МПа имеет нелинейность около 1.7% . По видимому, основным источником погрешности является нелинейность характеристики цилиндрического преобразователя давления в радиальные напряжения, подводимые к резонатору.
  2.  Дрейф нуля датчика во времени, вызванный старением резонатора, не превышает 0.1% верхнего предела измеряемой величины.
  3.  Необходимость вакуумирования или герметизации резонатора.
  4.  Наличие температурного дрейфа нуля датчика. Практически в датчиках давления погрешность от термодеформаций можно снизить до уровня 0.1% верхнего предела, путем уменьшения соотношения жесткостей мембраны и преобразователя.

2.7.Струнные датчики

Датчики в которых в качестве чувствительного элемента применяется электромеханический струнный преобразователь называются струнными. Струна   одним концом жестко заделана в основание, а другой её конец растягивается измеряемой силой Р. Частота собственных поперечных колебаний струны связана с силой натяжения

зависимостью: , где m и l – масса и длина струны.

Рис. 4. Принципиальная схема струнных датчиков давления

Вблизи струны размещен электромагнитный приемник, сигнал которого подводится к усилителю обратной связи. Последний формирует выходной сигнал и, кроме того, запитывает возбудитель колебаний струны. Возбудители бывают электромагнитные, магнитоэлектрические,  электростатические и применяются для стимулирования колебаний струны. Контур, содержащий электромагнитный приемник и усилитель обратной связи, обеспечивает поддержание колебаний постоянной амплитуды. Любые изменения нагрузки на струну будут изменять её натяжение и, следовательно, собственную частоту. Поэтому частота сигналов на выходе усилителя однозначно связана с измеряемым усилием.

Рис. 5. Виды возбудителей колебаний струны

а – электромагнитный; б – магнитоэлектрический; в – электростатический.

Измеряемое давление конвертируется в силу с помощью упругого элемента. Преобразователь силы состоит из вибрирующей струны, расположенной между полюсами постоянного магнита. Струна входит в состав электрической автогенераторной схемы, поддерживающей её незатухающие поперечные колебания на резонансной частоте. Схема генератора содержит усилитель, охваченный широкополосной отрицательной и узкополосной положительной обратными связями. Центральная частота узкополосного тракта устанавливается равной средней частоте колебаний струны в требуемом рабочем диапазоне. Выходная амплитуда регулируется изменением петлевого коэффициента усиления всей системы с помощью полевого транзистора. Эта схема должна обеспечивать генерирование переменного выходного сигнала на частоте, равной резонансной частоте струны:

.

Датчики давления со струнными преобразователями имеют нелинейность характеристики менее 0.1%, порог  чувствительности 0.05% от измеряемого     давления, температурную погрешность не более 0.1% на 10ºС . Струнный метод измерений рекомендуется для измерений динамических процессов с частотой колебаний 100 – 150 Гц. Отсутствие зависимости частоты от модуля продольной упругости материала снижает температурную погрешность датчика давления и повышает его метрологические характеристики. Механические напряжения в струне должны быть в пределах 2 – 6 МПа . При значениях менее 1.5 МПа колебания струны становятся несинусоидальными.

Для температурной компенсации необходимо изготовлять все детали электромеханической системы преобразователя (струну, мембрану, корпус, зажимы и т. д.) из материалов с равным коэффициентом линейного расширения. Частоты колебаний струны в датчиках лежат в пределах 400 – 10 000 Гц . Возможность использования струн малого диаметра (0.01 – 0.02 мм) определяет возможность разработки миниатюрных струнных датчиков.

2.8.Емкостные датчики

В таких датчиках давления применяются емкостные чувствительные элементы, которые представляют собой плоские конденсаторы. Эти датчики позволяют измерять перемещения рабочей точки упругого элемента, исчисляемые сотыми и тысячными долями микрометра.

Емкость плоского конденсатора определяется зависимостью:

,

где ε – диэлектрическая проницаемость среды между пластинами; S – площадь поверхности пластины; δ – зазор между пластинами.

Наиболее употребительны две конструктивные схемы емкостных чувствительных элементов датчиков давления. В первом  случае плоская мембрана является подвижным электродом плоского конденсатора. Во втором случае центр мембраны жестко связан с плоским электродом, который помещен с определенными зазорами между двумя неподвижными электродами. На рисунке 6 представлен емкостной датчик давления с одним неподвижным электродом (первая конструктивная схема).  

 Здесь для крепления неподвижного электрода применена изоляционная шайба 6 без буртика (уступа), что совмещает опорную и установочную поверхность (плоскость А). При такой конструкции нет необходимости производить температурную компенсацию, подбором материалов. Пружинная шайба 8 предотвращает деформацию изоляционной шайбы 6 при изменениях температуры.

Рис. 6. Емкостной датчик давления с одним неподвижным электродом

1 – крышка; 2 – гайка; 3 – корпус; 4 – мембрана; 5 – электрод;

6 – изоляционная шайба; 7 – гайка; 8 – пружинная шайба.

Основной погрешностью емкостных датчиков является температурная погрешность, вызванная смещением электродов (пластин) конденсатора при изменении температуры за счет неравенства значений температурных коэффициентов линейного расширения материала элементов конструкции. Эта погрешность устраняется либо конструктивным путем, либо изготовлением всех деталей емкостного преобразователя из металла одной марки и одной марки изолятора. Причем температурные коэффициенты линейного расширения этих материалов должны быть по возможности малы и не должны отличаться по своим значениям более чем на 1 – 3 %. Для снижения температурной погрешности до величины менее 0.1 % перспективна конструкция измерительной головки, выполненная из кварца, в которой неподвижные и подвижная пластины образованы напылением тонкой пленкой металла (например, суперинвара) непосредственно на кварц.   

Зависимость емкости от изменения величины зазора нелинейна, однако при малых относительных перемещениях подвижной пластины эта зависимость может считаться приближенно линейной. При перемещении пластины на величину  x  имеем зависимость:

.

Пренебрегая величиной , получим .  В прецизионных датчиках величина   может быть доведена до значений 0.005 – 0.01, при этом нелинейность емкостного преобразователя не превышает 1 %, однако при этом резко снижается чувствительность датчиков.

 В большинстве случаев емкостной преобразователь датчика включают в активное плечо измерительного моста. Измерительная схема должна иметь большое сопротивление в выходной диагонали моста, подводящие провода должны быть экранированы. Конструктивные элементы, шунтирующие емкости пластин, должны отсутствовать. С повышением частоты питания сопротивление  емкостных преобразователей снижается, и условия работы измерительной схемы улучшаются. В связи с этим частоту напряжения питания выбирать ниже 400 Гц не следует. Выходное напряжение моста рассчитывается по формуле:

,

где Uп – напряжение питания;  - относительное изменение зазора;  - отношение входного сопротивления показывающего прибора к выходному сопротивлению моста.

Емкостные преобразователи давления имеют следующие преимущества:

  1.  высокую чувствительность и точность;
  2.  стабильность характеристики;
  3.  технологичность изготовления и взаимозаменяемость.

К недостаткам относятся:

  1.  необходимость использования высокостабильных высокочастотных генераторов напряжения;
  2.  сложность компенсации и стабилизация емкостей проводов связи датчика с элементами измерительной схемы;
  3.  наличие температурной погрешности.

2.9.Волоконно-оптические датчики

В таких преобразователях применяются мембраны изготовленные из стекла. Стеклянные мембраны обладают высокой чувствительностью и миниатюрными размерами. Стекло также допускает изготовление тонких мембран простым и дешевым способом. У него есть и другие преимущества – технологичность, стабильность механических свойств и слабая зависимость их от температуры. Модуль упругости различных стекол почти не изменяется при увеличении температуры от комнатной до температуры размягчения (300-600 °С).

Стекло является диэлектриком, и использование стеклянных мембран, например в емкостных преобразователях, потребует нанесения на мембраны проводящих (металлических) покрытий, что может ухудшить динамические характеристики мембраны. Преимуществом волоконно-оптических преобразователей является их безразличие к электрической проводимости мембран. Если с обеих сторон прозрачной мембраны находится воздух (или другой газ), то минимальное значение коэффициента отражения света (при нормальном падении): , где n – коэффициент преломления материала мембраны (стекла). Для типичного  n=1.5 значения   = 0.08. Опыт показывает, что света, отраженного от стеклянной мембраны без отражающих покрытий, вполне достаточно для надежной работы волоконно-оптических преобразователей.

Волоконно-оптическая система измерения прогиба мембраны должна быть изготовлена из световодных волокон диаметром 25 мкм. Чтобы обеспечить максимальную чувствительность преобразователя, однозначность его калибровочной кривой и максимально возможный диапазон измеряемых давлений, необходимо поместить торец световодного жгута на расстоянии от мембраны равном диаметру световодных волокон.

 Такие преобразователи удобны для измерений давления на поверхности тел. Кроме того, отсутствие между точкой, где измеряется давление, и мембраной импульсных линий позволяет получить наилучшие динамические характеристики измерительной системы.

2.10.Индуктивные датчики

В этих датчиках применяются индуктивные чувствительные элементы. Индуктивные датчики получили достаточно широкое распространение, но в современных условиях, в связи с малой надежностью, сложностью конструкции индуктивных чувствительных элементов, высокими требованиями, предъявляемыми к магнитным материалам они применяются все реже. Измеряемое давление воздействует на упругий ЧЭ, который перемещает якорь индуктивного преобразователя (ИП). Первичные обмотки ИП питаются переменным током повышенной частоты (28 кГц), который генерируется полупроводниковым преобразователем, питаемым от бортовой сети постоянного тока через стабилизатор   напряжения.   Выходное напряжение со вторичных обмоток ИП выпрямляется и подается на выходные клеммы штепсельного разъема.

Рис. 7. Принципиальная схема манометра с индуктивным датчиком

1 – указатель;  2 – двухкатушечный логометр с подвижным магнитом.

Снимаемые с индуктивного датчика сигналы переменного тока выпрямляются диодами и на логометр указателя поступают сигналы постоянного тока.

Такие манометры применяются для измерения давления при повышенных температурах и при значительных колебаниях измеряемого давления с частотой до 700 Гц. Диапазон измерения от 0 – 0.3 МПа до 0 – 30 МПа. Максимальные погрешности не превышают  ± 4 %.

2.11.Потенциометрические датчики

В таких датчиках используется потенциометрический преобразователь перемещений. Эта конструкция является унифицированной: при переходе от одного диапазона измерений к другому так выбирается толщина мембраны, что её максимальный прогиб не изменяется.

Рис. 8. Потенциометрический датчик давления

1 – потенциометр; 2 – щетка; 3 – вилка; 4 – щеткодержатель; 5 – ось поводка;

6 – поводок; 7 – возвратная пружина; 8 – качалка; 9 – шток; 10, 13 – основания;

11 – мембрана; 12 – штуцер.

Измеряемое давление посредством мембраны преобразуется в перемещение её жесткого центра. Оно в свою очередь с помощью кинематической передачи вызывает перемещение щетки потенциометра и соответственно изменяется сопротивление.

Потенциометр как преобразователь деформации в электрическое сопротивление включается в мостовую схему или в схему потенциометрической дистанционной передачи. В измерительных схемах осуществляется компенсация температурной погрешности.

Рис. 9. Принципиальная схема манометра с потенциометрическим

преобразователем

Сигнал деформации мембраны используется для перемещения движка потенциометра. Потенциометр R1 R2 образует два плеча моста, а два другие плеча составлены из резисторов R3 и R4. В качестве указателя в манометре применяется логометр с неподвижными рамками и подвижным магнитом.

Недостатком потенциометрических датчиков является наличие скользящего контакта, снижающего надежность прибора. А также наличие межвитковой погрешности, вызванной контактом щетки и потенциометра. Максимальные погрешности этих датчиков не превышают ± 4 % .

2.12.Структурные и математические модели датчиков давления.

В зависимости от способа измерения силы, развиваемой упругим элементом, различают два типа манометров: с прямым преобразованием силы в электрический сигнал и с силовой компенсацией (с уравновешиванием). Структурные схемы обоих типов манометров дают представление о математической модели приборов, т.е. отображают функцию преобразования.

Электромеханический манометр с прямым преобразованием силы в электрический сигнал состоит из датчика и электрической дистанционной передачи. Здесь все звенья соединяются последовательно. В качестве примера рассмотрим схему преобразования потенциометрического датчика (рис. 8) и составим эквивалентную ей структурную схему.

Рис.  10.  Структурная схема пряиого преобразования.

В первом звене измеряемое давление преобразуется в силу воздействующую на мембрану. Передаточная функция (ПФ) этого звена  может быть аппроксимирована инерциальным звеном:

,

где  S1 – чувствительность и T1 – постоянная времени.

Второе звено, преобразующее силу в деформацию мембраны, может быть описано ПФ колебательного звена:

,

где ω2 – собственная частота, определяемая жесткостью мембраны и её массой.

Передаточное звено, преобразующее деформацию мембраны в перемещение щетки потенциометра, характеризуется чувствительностью:

Четвертое звено, преобразующее перемещение щетки потенциометра в изменение сопротивления, также безынерционно: . Аналогично для преобразователя изменения сопротивления в изменение напряжения:   

Если пренебречь индуктивностью катушек логометра, то можно получить для преобразователя ΔU в отношение токов : .  Преобразователь  в угол перемещения стрелки можно описать ПФ колебательного звена: .

Основным недостатком измерительных цепей прямого преобразования состоит в том, что погрешность прибора равна сумме погрешностей всех его звеньев.

Электромеханический манометр уравновешивающего преобразования основан на автоматическом уравновешивании силы, развиваемой неупругим или упругим ЧЭ, другой силой, формируемой с помощью обратного преобразователя, входной электрический сигнал которго служит мерой измеряемой величины.

Рис.  4.2. Структурная схема уравновешивающего преобразования.

В приборах статического уравновешивания ПФ ω1(p) определяется уравнением . ПФ ω2(p) – ω5(p), характеризующие соответственно формирование напряжения рассогласования  ΔU, работу усилителя ΔU-U2 и преобразование U2-I , где I  - сила тока, протекающего через указатель и катушки моментного устройства, могут быть заменены чувствительностями S2, S3, S4. Преобразование силы тока в моментном устройстве в силу можно описать ПФ . ПФ части прибора будет: , где .

Преимущество измерительных цепей статического уравновешивания состоит в том, что часть звеньев охвачена обратной связью, что способствует уменьшению погрешностей прямой цепи прибора.

В измерительной цепи астатического уравновешивания ПФ ω2(p) – ω3(p) возьмем такими же, как и в предыдущем случае. В качестве уравновешивающего устройства в схеме применен реверсивный двигатель с ПФ  и редуктор . Двигатель через редуктор  перемещает стрелки прибора. Таким образом, ПФ манометра астатического уравновешивания будет:

,

где .

Обладая преимуществами в отношении компенсации погрешностей в прямой цепи, приборы уравновешивания имеют ограниченное быстродействие и в них могут возникнуть неустойчивые режимы. Для устранения этих недостатков применяют корректирующие контуры, повышая тем самым запас устойчивости и увеличивая ширину полосы пропускания.

2.13.Точностные характеристики датчиков давления.

На датчик наряду с измеряемым давлением могут одновременно воздействовать различные физические величины (температура, влажность, вибрация и т.д.), но воспринимать он должен только одну величину (давление).

Статической характеристикой датчика называют функциональную зависимость выходной величины В датчика от измеряемой величины p в статических условиях, выраженную аналитически, таблично или графически: B=f(p).

Статическая чувствительность представляет собой отношение малых приращений выходной величины к соответствующим малым приращениям входной величины в статических условиях: S=δB/δp

Динамическая характеристика датчика  определяет параметр выходной величины при быстрых изменениях входной величины. Эта характеристика зависит от метода измерений и внутренних свойств элементов датчика. Она может задаваться различными зависимостями:

  •  переходной характеристикой В = f(t), где t  время скачкообразного изменения входной величины;
  •  частотной характеристикой Sд = F(fвх) – зависимостью чувствительности датчика от частоты изменения входного сигнала;
  •  фазовой характеристикой – зависимостью сдвига фаз от частоты синусоидального изменения входной величины;

Понятие чувствительности можно распространить на динамические условия работы. При этом под чувствительностью понимают отношение скорости изменения выходного сигнала к соответствующей скорости изменения входного сигнала: .

Под порогом чувствительности датчика понимают минимальное изменение измеряемой величины (входного сигнала), вызывающее изменение выходного сигнала. Наиболее характерным показателем качества датчика является полный диапазон датчика, выражаемый отношением:  Dд =Xн/Δo, где Xн – естественный предел измерения;  Δо – порог чувствительности датчика.

Гистерезисом называют неоднозначность хода статической характеристики датчика при увеличении и уменьшении входной величины. Гистерезис выражается в процентах:

,

где Bmax и Bmin – изменение выходной величины в рабочих пределах.

Заключение.

В разделе рассмотрены наиболее широко используемые в авиации и в других областях промышленности датчики давления. Датчики  классифицированы по типу чувствительных элементов, т.е. по характеру преоразования физических величин (деформация, сила, перемещение, частота) в электрический сигнал. Рассмотрены несколько типов датчиков, начиная от широко известных индуктивных и потенциометрических, заканчивая новыми полупроводниковыми и оптоволоконными датчиками. Даны иллюстрации и основные расчетные формулы к описанию датчиков давления. Представлены основные типы упругих элементов датчиков и их характеристики. Разобраны характеристики и методы устранения погрешностей каждого из типов датчиков давления.

Контрольные вопросы

  1.  Назначение, функции, состав приборов контроля силовых установок.
  2.  Принцип работы тензодатчиков давления.
  3.  Принцип работы пьезорезонансных датчиков давления.
  4.  Принцип работы струнных датчиков давления.
  5.  Принцип работы емкостных датчиков давления.
  6.  Принцип работы волоконно-оптических датчиков давления.
  7.  Принцип работы индуктивных датчиков давления.
  8.  Принцип работы потенциометрических датчиков давления.
  9.  Основные чувствительные элементы датчиков давления.
  10.  Основные характеристики датчиков давления.
  11.  Конфигурации мостовых схем включения датчиков давления.


Топливо

Тахометры

Давление топлива

Измеритель вибрации

Тягомер

ТВГ

Силовая установка

11

10

2

1

Расходомер

4

5

6

7

8

9

                                                                                                                                                                     

Датчик

                                                                         Датчик

             Упругий
              элемент

Чувствительный

       элемент

   Вторичный

преобразователь

W1(p)

W2(p)

W3(p)

W4(p)

W5(p)

W6(p)

W7(p)

W1(p)

W5(p)

W2(p)

W3(p)

W4(p)

W6(p)

  1.  

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

36910. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗВЕНЬЕВ АВТОМАТИЧЕКСКИХ СИСТЕМ 346.5 KB
  1 Безынерционное звено Рис. 2 Интегрирующее звено Рис. 3 Апериодическое звено 1 порядка Рис. 4 Колебательное звено Переходные ht и передаточные Wp характеристики звеньев имеют вид: Безынерционное звено Wp=k Интегрирующее звено Wp=k p Апериодическое звено Wp=k Tp1 Колебательное звено Wp=k1 T2p22k2Tp1...
36911. Файлы и папки 185 KB
  Скопируйте этот файл с заданием в свою сетевую папку на studdc1 Загрузить программу Проводник. Создайте на своем рабочем столе структуру папок: Для этого щелкните правой кнопкой мыши для вызова контекстного меню выберите команду Создать Папку. Откройте текстовый файл и наберите текст: Переместите файл МОЙ ТЕКСТ в папку SUB. В любой папке доступной на Вашем компьютере выберите три файла вразброс используя для выделения клавишу Ctrl и скопируйте их в папку SUB.
36912. Операционная система MS DOS, конфигурирование и настройка 58.5 KB
  ОС MSDOS – основные системные команды. Системные команды MS DOS MSDOS сокр. MSDOS – самая известная ОС из семейства DOS ранее устанавливаемая на большинство PCсовместимых компьютеров.
36913. Исследование характеристик ТТЛ элемента 49.5 KB
  Исследование характеристик ТТЛ элемента. Цель лабораторной работы: исследовать основные свойства стандартного ТТЛ элемента переходную характеристику входную характеристику и выходные характеристики. На рабочем столе собрать принципиальную электрическую схему логического элемента ТТЛ. На вход элемента подключить источник напряжения изменяющегося по треугольному закону.
36914. Выделение и перемещение фрагментов изображения, кадрирование изображений 158.5 KB
  dobe Photoshop Тема: Выделение и перемещение фрагментов изображения кадрирование изображений Цель: приобрести навыки работы с инструментами выделения фрагментов изображений научиться перемещать и копировать выделенные фрагменты. Краткие теоретические сведения В данном уроке используются следующие инструменты: Инструмент Zoom Масштаб позволяет получать изображение на экране в увеличенном или в уменьшенном виде. Инструмент Crop Рамка позволяет выделить прямоугольный фрагмент изображения и удалить ту его часть которая осталась за...
36915. КОМПЬЮТЕРНАЯ СИСТЕМА PROJECT EXPERT. ФОРМИРОВАНИЕ ФИНАНСОВОЙ МОДЕЛИ ПРОЕКТА 47.5 KB
  ФОРМИРОВАНИЕ ФИНАНСОВОЙ МОДЕЛИ ПРОЕКТА Цель: изучить систему команд Project Expert формирования финансовой модели инвестиционного проекта для предприятия. Построив с помощью Project Expert финансовую модель собственного предприятия или инвестиционного проекта можно получить такие возможности: разработать детальный финансовый план и определить потребность в денежных средствах на перспективу; определить схему финансирования предприятия оценить возможность и эффективность привлечения денежных средств из различных источников; разработать...
36916. Структура управления регионального международного аеропорта (РМА) 55 KB
  Непосредственно генеральному директору аэропорта подчиняются его замы и директора по направлениям а также самостоятельные структурные подразделения и службы. Типовая структура РМА представлена на схеме: Деятельность отдельных подразделений и служб аэропорта Основные функции службы качества: 1. разработка перспективных направлений повышения качества услуг авиакомпаниям и клиентам аэропорта; 2.
36917. Исследование статической и динамической характеристики термопары 188 KB
  Исследование статической и динамической характеристики термопары. Ознакомиться со схемами включения измерительного прибора в цепь термопары. Экспериментально получить статическую и динамическую характеристики термопары. Определить математическую модель термопары.
36918. Знакомство с математическим пакетом Scilab 141.5 KB
  Знакомство с математическим пакетом Scilb Scilb это система компьютерной математики которая предназначена для выполнения инженерных и научных вычислений таких как: решение нелинейных уравнений и систем; решение задач линейной алгебры; решение задач оптимизации; дифференцирование и интегрирование; обработка экспериментальных данных интерполяция и аппроксимация метод наименьших квадратов; решение обыкновенных дифференциальных уравнений и систем. Кроме того Scilb предоставляет широкие возможности по созданию и редактированию...