книги из ГПНТБ / Повх И.Л. Аэродинамический эксперимент в машиностроении

Практически осуществить прибор по указанной схеме весьма трудно, так как почти невозможно построить датчик одновре­

менно на три величины х, х и х, особенно если речь идет о мало­ габаритном датчике; значительно проще построить прибор, в ко­

тором сигнал, пропорциональный х, или даже два сигнала, про­

порциональные X и X соответственно, получаются вне датчика, в электрических дифференцирующих цепях. Однако точность дифференцирования при помощи электрической цепи невелика,

Рис. 7.3. Блок-схема прибора

и поэтому погрешности у всего решающего устройства получаются высокими, что ограничивает возможность расширения рабочего частотного диапазона прибора.

В одной из известных конструкций прибора, измерительная цепь которого построена по указанному принципу, удалось добиться расширения частотного диапазона вплоть до частот, близких и даже превышающих частоту собственных колебаний упругого элемента датчика.

40« Собственные частоты приборов

Частотный диапазон прибора зависит от частоты собственных колебаний подвижной части прибора. Как легко видеть из формулы (7.1), повысить собственную частоту прибора можно путем

а жесткость большой нельзя, так как перемещения регистрирую­ щего элемента тогда будут малыми. Поэтому собственная частота таких приборов невелика. Так, для совершенных механических индикаторов, записывающих давление в цилиндре двигателей внутреннего сгорания, собственная частота не превышает 10 Гц,

218

Существенное повышение частоты собственных колебаний при­ бора удается получить при использовании электрических методов измерений.

На рис. 7.4 показана схема прибора для измерения давлений, которую можно разделить на несколько элементов, выполняющих различные функции. Измеряемое давление воспринимается дат­ чиком давления. Датчик, или, как его называют часто, приемник, давления является преобразователем величины давления в элек­ трическую величину.

Сигнал датчика через электрическую измерительную цепь поступает в измеритель, т. е. в регистрирующий прибор. Все эти

Рис. 7.4. Схема для измерения давлений

элементы, а в отдельных случаях часть из них, получают питание от источника электрической энергии.

По принципу работы и характеру выходной электрической ве­ личины датчики делятся на генераторные и парометрические.

Если величина давления преобразуется датчиком в э. д. с., то такой преобразователь называется генераторным, так как он сам производит э. д. с., измеряемую затем с помощью соответ­ ствующей схемы. К таким преобразователям относятся пьезо­ электрические и индукционные.

Если датчик преобразует величину давления в электрические величины, измерение которых невозможно без дополнительного питания, то такой преобразователь называется параметрическим. К числу параметрических преобразователей относятся: а) емкост­ ные датчики, б) индуктивные, в) датчики сопротивения, г) магни­ тоупругие датчики и д) механотроны.

Механотроны [48 ] — механически управляемые электронные лампы — за последние годы получают все более широкое рас­ пространение при исследовании процессов, происходящих в ма­ шинах. Механотроны позволяют непосредственно регулировать электронный ток лампы механическим смещением ее деталей. Механотрон для измерения давлений имеет эластичную стенку (мембрану), которая под действием давления прогибается и тем самым перемещает электрод, управляющий током электронной лампы.

Для того чтобы весь прибор в целом имел заданный частотный диапазон, отдельные элементы прибора — датчик, электрическая

219

цепь и измеритель — должны обладать малыми динамическими погрешностями в этом диапазоне частот.

Преобразование давления в электрическую величину во всех перечисленных выше датчиках осуществляется за счет перемеще­ ния или деформации упругого элемента — чаще всего мембраны. Поэтому в механическом отношении все перечисленные преобра­ зователи являются резонансными системами, что и определяет их частотные характеристики. Наибольшую частоту собственных колебаний, а следовательно, и наивысший частотный предел имеют пьезодатчики. Собственная частота пьезокристаллов достигает ІО8 — ІО9 Гц.

Электрическая измерительная цепь служит для преобразова­ ния сигнала датчика и передачи его к регистрирующему прибору. В простейшем случае это только провода. В большинстве же слу­ чаев электрическая измерительная цепь включает различного типа усилители электрических сигналов.

Источниками питания могут быть аккумуляторы или генера­ торы. Они питают все три элемента измерительной схемы. Так как генераторные приемники сами являются источниками электри­ ческой энергии, то в этом случае питание необходимо лишь для электрической цепи. ..

При питании переменным током используются машинные и электронные генераторы высокой частоты. Если собственная частота приемника менее 50 Гц, то его можно питать от сети пере­ менного тока.

При частотах до нескольких килогерц надежным, малога­ баритным и экономичным является вращающий умформер, слу­ жащий для преобразования постоянного напряжения в перемен­ ное. Если потребляемая электрической цепью мощность невелика (до 10—20 Вт), можно также использовать электронные генераторы с независимым возбуждением, задающий генератор которых может быть типа RC и LC.

метры

Стрелочные

Магнитоэлектрические осциллографы

Электронные осциллографы

220

При частотах выше 1000 Гц предпочтительнее применять гене­ раторы типа LC, обеспечиващие меньшее значение коэффициента нелинейных искажений и большую стабильность характеристик.

В качестве регистрирующих приборов используются стрелоч­ ные приборы, самописцы, автоматические потенциометры, элек­ тронные и шлейфные осциллографы. Частотные пределы некоторых измерительных приборов приведены в табл. 7.2.

Из табл. 7.2 видно, что приборы с записью чернилами, а также самобалансирующие потенциометры (собственная частота кото­ рых определяется временем прохождения указателя от одного конца шкалы до другого) имеют частоту меньше 1 Гц. Стрелочные приборы пригодны для визуального отсчета при частоте до 1 Гц. Осциллографы с непосредственной записью могут быть применены для частот до 100 Гц.

Магнитоэлектрические осциллографы типов Н-700, МПО-2, К4-21, К9-21, К12-21 с записью на пленке или бумаге могут про­ изводить измерения в диапазоне частот от 0 до 4000 Гц.

Электронные осциллографы позволяют измерять процессы более кратковременные. Так, ослиллограф типа СІ-14 имеет верхнюю граничную регистрируемую частоту порядка 1000 МГц при чувствительности 3,3 В/мм и 3000 МГц при подаче исследуе­ мого сигнала непосредственно на отклоняющую систему трубки

13-ЛО-Ю2М.

Осциллографы, разработанные ЛПИ [2], могут измерять од­ нократные процессы, происходящие в довольно широком диапазоне времени, приведенном ниже.

а электронным порядка 10-10 с.

Собственные частоты усилительных схем зависят от собствен­ ных частот электронных ламп, применяемых в схеме. Собствен­ ные частоты ламп f пропорциональны отношению крутизны ха­ рактеристики S к полной емкости С

Полная емкость лампы складывается из входной Свх и выход­ ной емкости СВЬ1Х. Кроме указанных емкостей существует емкость, зависящая от монтажа схемы См. Поэтому практически собственная частота лампы равна

221

В табл. 7.3 приведены собственные частоты некоторых ламп, используемых в усилителях [4]. В последних двух графах при­ ведены практические значения / при См = 0 и при См = 10 пФ. Из приведенных в табл. 7.3 ламп наибольшую собственную ча­ стоту имеют лампы 6Ж21П и 6Н15П.

Разработанные в настоящее время высокочастотные транзи­ сторы и интегральные схемы позволяют получать верхние реги­ стрируемые частоты ІО6— ІО7 МГц и выше.

Путем подбора ламп всегда можно получить необходимую ча­ стотную характеристику усилителя.

Описанию источников питания, измерительных и других электрических приборов, а также исследованию работы преобра­ зователей при измерении неэлектрических величин электричес­ кими методами посвящена обширная литература [143]. Здесь рассматривается лишь конструкция преобразователей, применяе­ мых для измерения давлений в потоках.

В большинстве датчиков применяются мембраны. Поэтому изучению характеристик мембран как общих элементов всех пре­

образователей предпосылается описание работы самих преобра­ зователей.

41» Мембраны

В приборах для измерения давлений широко применяются раз­ личного рода манометрические трубки типа Бурдена, гофриро­ ванные коробки или сильфоны и мембраны. Рассмотрим конструк­ ции и свойства различных мембран.

Наиболее широкое распространение получили круглые мем­ браны, которые по форме поперечного сечения делятся на плоские, гофрированные и хлопающие. Плоские и гофрированные мембраны используются как элементы различных датчиков для измерения не­ стационарных давлении. Хлопающие мембраны применяются в ка­ честве пневматического реле, фиксирующего переход определен­ ной величины действующего давления.

222

Характеристиками плоской и гофрированной мембран яв­ ляются кривые зависимости прогиба от давления. Характеристика определяется следующими величинами: а) рабочим давлением, т. е. давлением, до которого должна работать мембрана; б) собственной частотой; в) гистерезисом, т. е. различием кривой прогиба от давления при прямом и обратном ходе давления; г) величиной упругого последействия, т. е. значением гистерезиса при полном снятии нагрузки, и д) значением остаточной деформации или де­ формацией, которая не исчезает через длительное время после снятия нагрузки.

Характеристика плоской мембраны зависит от способа за­ крепления мембраны. Крайними видами закрепления являются глухой и свободный. В первом случае мембрана плотно припаи­ вается или приваривается к кольцу большой жесткости, а во втором — она защемляется между двумя кольцами с прокладкой. Для увеличения жесткости и устранения изгиба при глухом за­ креплении мембрана нагревается на накаленной пластине и затем припаивается к нагретому кольцу; причем коэффициенты линей­ ного расширения мембраны и кольца подбираются так, чтобы при охлаждении после пайки мембрана натянулась.

Для плоской круглой мембраны с глухой заделкой величина давления р связана с прогибом А формулой

мещении, когда -^ -< 4 .

При малых прогибах, когда кубом относительного прогиба

можно пренебречь по сравнению с первой степенью, для глу­

хой свободной заделки получим линейную зависимость прогиба от давления в виде

В том случае, когда прогиб во много раз больше толщины мем браны, формулы (7.5) и (7.6) применять нельзя.

223

*

Для отношения -=->10 при глухой заделке имеет место фор­

мула

Существуют более сложные зависимости, пригодные для всего диапазона прогибов. Не приводя этих формул, покажем кривые зависимости величины прогиба от давления, полученные различными способами. На рис. 7. сплошными линиями нанесены кривые, построенные по форму­ лам (7.5) и (7.6), а штриховые — соответственно по более слож­ ным формулам. Здесь же по­ строена кривая по теории ма­

лых перемещений (7.7).

чиках лаборатории аэродинамики ЛПИ, например, применялись мембраны из резины, покрытой металлическим порошком. Мем­ браны из такого материала называются абсолютно гибкими мем­ бранами. Они не могут противодействовать сжимающим усилиям

иизгибающим моментам.

Внекоторых датчиках применяются мембраны с жестким цент­ ром. На рис. 7.6 показаны кривые изменения прогиба абсолютно гибкой мембраны в зависимости от давления для различных зна­ чений величины жесткого центра гJr при ц = 0,5. Из кривых видно, что при уменьшении жесткого центра прогиб при одном и том же

давлении увеличивается, достигая наибольшего значения, когда

гJr = 0.

Существенным недостатком плоской металлической мембраны является нелинейность характеристики и зависимость ее от мест­ ных дефектов формы и от небольших искажений при ее закрепле­ нии. Гофрировка мембраны (нанесение концентрических складок) устраняет указанные недостатки, придает устойчивость и ста-

224

высоты гофра приводит к повышению жесткости, и, как это видно из рисунка, при данном давлении прогиб мембраны оказывается обратно пропорциональным высоте гофра.

Влияние формы заделки мембраны показано на рис. 7.9.

Собственная частота колебаний круглой мембраны / опреде­

где k — коэффициент, определяющий характер колебаний мем­ браны.

Значение k для различных мембран и различных форм колеба­ ний изменяется в широких пределах. При глухой заделке и коэф­ фициенте Пуассона р = 0,8-нО,30 k = 3,196. При свободной за­ делке мембраны и р = 0,25 k = 2,205, а при р = 0,30 k = 2,233.

По опытам со стальными мембранами получена следующая зависимость:

/= 1 , 1 7 . 1 0 6А ,

где F — площадь мембраны.

Теоретически полученная формула для определения собствен­ ной частоты стальной мембраны имеет вид

f = 4 ,9 Ы 0 « 4 .

Эмпирическая зависимость собственной частоты стальных мембран от величины площади и толщины ее приведена на рис. 7.10.

Часто возникает необходимость измерения относительно не­ больших переменных давлений р_ на фоне большой составляющей

226

постоянного давления р= . Если не исключать постоянную состав­ ляющую, то на мембрану преобразователя будет действовать дав­ ление р, равное р — + р=, а сама мембрана будет колебаться при этом не около своего среднего положения, а около некоторого положения с постоянным прогибом.

Рис. 7.9. Влияние формы заделки мембраны

При относительно больших значениях постоянной составляю­ щей измеряемого давления необходимо существенно увеличивать жесткость мембраны. Это приводит к снижению чувствительности преобразователя.

Для разгрузки мембраны от постоянной составляющей давле­ ния можно воспользоваться схемами включения (рис. 7.11).

Ѵч

Рис. 7.10. Собственная частота мембран в зависи­ мости от их площади и толщины

При измерении давлений в потоках воздуха или газа (рис. 7.11) в рабочую камеру преобразователя А поступает полное давление