книги / Проектирование и отработка ракетных двигателей на твёрдом топливе

Рис. 7.1. Схема системы измерения

При измерении от исследуемого процесса отбирается часть энергии, которая в первичном преобразователе (датчике) преобразуется в величину, удобную для передачи. Каждый датчик всегда воздействует на измеряемую величину. Если отбирается большое количество энергии, то измерение не достоверное. Поэтому при измерении параметров всегда соблюдается следующий принцип: измерение будет достоверным тогда, когда максимальное количество информации получается и передается при минимальной затрате энергии исследуемого процесса. Таким образом, всегда надо иметь в виду, что датчик – это устройство для преобразования энергии, поэтому датчики делятся на два типа [8, 21]. Генераторные датчики, которые непосредственно преобразуют энергию замеряемого параметра в энергию выходного сигнала. Они наиболее просты по принципу действия. В параметрических датчиках это преобразование идет с дополнительным подводом энергии от внешнего источника. Эти датчики обладают более высокой точностью и помехоустойчивостью, они более сложные по конструкции, наиболее распространены. Кроме этого, существует классификация датчиков по форме выходного сигнала:

амплитудные датчики. Сигнал с датчика пропорционален амплитуде изменения некоторого параметра датчика, который, в свою очередь, зависит от изменения замеряемой величины. Это самые распространенные датчики. Они могут быть генераторными и параметрическими;

частотные датчики. Сигнал с датчика пропорционален изменению частоты колебаний некоторого параметра датчика, которая, в свою очередь, зависит от изменения замеряемой величины;

271

цифровые датчики. Замеряемый сигнал сразу преобразовывается в кодированный вид. В настоящее время применяется редко;

контактные датчики работают по схеме «да-нет». Иначе их называют еще сигнализаторами. Например, сигнализаторы уровня жидкости в баках.

с датчика. Усилители могут быть электронные (самые распространенные) и магнитные. Преобразователи подразделяются на группы в зависимости от применяемой в них модуляции, которая может быть амплитудной, частотной и фазовой. Кроме того, применяются преобразователи формы представления информации:

- аналогово-цифровые; - цифроаналоговые; - амплитудно-частотные;

- частотно-амплитудные; - частотно-цифровые и т.д.

Преобразователи обеспечивают связь между датчиком и регистратором.

Регистраторы предназначены для фиксирования сигнала, полученного с преобразователя. Может вестись регистрация сигнала, представленного в аналоговой или дискретной форме. Поэтому принята следующая классификация: аналоговые регистраторы (шлейфовые и светолучевые осциллографы, электронные потенциометры, самопишущие приборы) и цифровые (магнитные, лазерные и т.д.). Применяемые носители изображения: осциллограмма, фотограмма, график на электрохимической бумаге, магнитная лента и т.д.

Дешифраторы также могут быть аналоговыми (анализаторы спектра частот, анализаторы спектральной плотности, интеграторы, корреляторы и т.д.) и цифровыми (ПЭВМ и различные ЭВМ). Достоинство ПЭВМ заключается еще и в том, что она может сразу выполнять функцию и регистратора, и дешифратора.

272

7.3. Измерение давления

Наиболее часто выполняемый вид измерения. Особенности измерения давления заключаются в разнообразии сред, где проводится замер [8]. Это могут быть жидкости, газы, нейтральные и агрессивные среды, которые могут находиться в широком интервале температур (–245 3500 °С). Кроме этого, замер усложняет нестационарность и малая длительность большинства исследуемых процессов, при протекании которых возможно появление колебаний с частотой от одного до десятков тысяч герц. Иногда возникают трудности вследствие значительных вибраций элементов конструкции в местах установки датчиков.

В общем случае полное давление, возникающее при проведении испытаний, представляет собой сложную непериодическую функцию времени. Замер этой функции производится в виде составляющих, каждая из которых замеряется своим датчиком: медленно меняющееся давление, пульсации давления и давление на переходных режимах. Это объясняется тем, что конструктивные требования по точности и инерционности датчиков противоречивы, поэтому деление датчиков на эти группы позволяет замерить медленно меняющееся давление с большой точностью, а при замере пульсаций – определить с большой точностью частоту колебаний.

При измерении давления, как правило, применяются переходники, соединяющие камеру двигателя с датчиком. Их длина может доходить до 1,5 м. Объем переходника, с целью предохранения от агрессивных высокотемпературных газов, может иметь следующие виды заполнения: газовое, жидкостное, смешанное. Система переходник–датчик представляет собой нелинейную колебательную систему, поэтому там могут возникнуть колебания, которые никак не связаны с характером работы двигателя. Частоту собственных колебаний такой системы необходимо определять теоретическим или экспериментальным способом до проведения замеров. Наибольшие погрешности возникают при

273

смешанном заполнении, так как в этом случае система будет иметь минимальную частоту собственных колебаний.

7.3.1. Измерение медленно меняющихся давлений

Из неэлектрических способов замера применяется только манометрический, причем лишь для вспомогательных целей: для тарировки датчиков, для замера давления в баках, разрежения на баростендах и т.д. Для замера давления в двигателях манометры не используют, так как у них большая инерционность. Чаще всего применяют пружинные или поршневые (трубчатые, сильфонные, мембранные) манометры, пружинные вакууметры, мановакууметры, жидкостные манометры, жидкостные U-образ- ные дифференциальные манометры. Длина линии от места замера до манометра не более 25 метров. Если газы агрессивные, то применяют заполнение линии жидкостью. Погрешность пружинных манометров ≈ 1 %; поршневых –

0,2 0,3 %.

Основной способ замера давления в двигателе – электрический. Все электрические датчики построены по следующей схеме: механические деформации чувствительного элемента пропорционально связаны с изменением либо активного сопротивления, либо емкости, либо индуктивности, либо частоты. Применяются следующие типы датчиков

[21, 25].

Потенциометрические датчики. Выходной сигнал датчика – изменение его активного сопротивления. За счет изменения давления меняются геометрические размеры чувствительного элемента (гофрированная мембрана, витая трубка, сильфон, манометрическая коробка и т.д.) Чувствительный элемент связан со скользящим контактом потенциометра. Схема датчика приведена на рис. 7.2.

Потенциометрическими датчиками можно измерять давление до величины 150 МПа, причем существуют различные типоразмеры, например, для интервала 0…0,5 МПа, 0…1 МПа и т.д. Допустимая температура окружающей

274

среды находится в пределах от +80 до –50 °С, время непрерывной работы 30 мин. Погрешность замера давления составляет величину ±0,8 %, дополнительная погрешность датчика при перегрузке до 15 g – ±0,6 %. Нелинейность тарировочной характеристики ±1 %. Замеряемая частота пульсации давления 20 300 Гц с амплитудой ±15 % от номинала.

Рис. 7.2. Схема работы потенциометрического датчика (а): 1 – сильфон; 2 – механическая связь; 3 – потенциометр; схема тензорезистора (б): 4 – основание; 5 – проволока; 6 – лаковое покрытие

На всех датчиках предусмотрена температурная компенсация, для чего последовательно с потенциометром включена компенсационная катушка. При изменении температуры датчика компенсация происходит автоматически за счет различного изменения сопротивления потенциометра и катушки. В комплект датчика входит демпфер, предохраняющий его от пульсации давления. От вибрации датчики защищают с помощью амортизаторов, от пульсации давления – демпферами. С целью защиты от ударов при ОСИ и воздействия высокой температуры продуктов сгорания датчики ставят на переходники длиной 0,3 1,5 м.

Достоинства потенциометрических датчиков заключаются в простоте схемы, высоком уровне выходного сигнала (не надо усилителя), в удобстве эксплуатации. Недос-

275

татки: большая чувствительность к ударам, необходимость защиты от пульсации давления, малый ресурс работы (особенно с агрессивными средами), ограниченный частотный диапазон, что не позволяет измерять переходные процессы.

Тензометрические датчики. При работе производит-

ся измерение деформаций чувствительного элемента, пропорциональных величине измеряемого давления. В зависимости от величины деформации чувствительного элемента меняется его сопротивление. Применяют константан (55 % Cu, 45 % Ni), нихром (80 % Ni, 20 % Cr), манганин (Ni, Pt).

В качестве основания используется электроизолирующий материал, например, бумага, на которую клеится проволока толщиной 0,025…0,035 мм. Все это закрепляется лаком. Изменение активного сопротивления определяется следующим образом:

∆R = K ρS (mlî εî +lï εï ),

где K – тензочувствительность, K = R∆Rε , ε – деформация

проводника, ρ – удельное сопротивление проволоки, S – площадь поперечного сечения проволоки, m – число параллельных ветвей проволоки, lо – длина рабочей части одной ветви в осевом направлении, lп – длина рабочей части одной ветви в поперечном направлении, εî ,εï – относитель-

ное удлинение проволоки в осевом и поперечном направлениях.

Тензометры включаются по мостовой схеме. Частота собственных колебаний в электрической схеме должна быть примерно в 5÷10 раз больше возможной частоты изменения давления. Чувствительные элементы могут быть выполнены в виде сплошного цилиндра, вдоль оси которого приложена нагрузка от внутреннего давления в камере сгорания. На внешнюю поверхность цилиндра приклеиваются тензорезисторы. Возможна схема, в которой давление от продуктов сгорания воздействует на внутреннюю по-

276

верхность колпачка, на внешней поверхности которого приклеены тензорезисторы. Тензорезисторы соединены по мостовой схеме. Применяются схемы с двумя или четырьмя тензорезисторами. Примерные характеристики тензометрических датчиков: предел измерения давления – до 100 МПа (существуют различные типоразмеры), погрешность – не более 0,8 %, дополнительная температурная погрешность – 0,3 % на каждых 10 °С, частотный диапазон измерения – до 1500 Гц. Перспективной конструкцией являются датчики с полупроводниковыми тензоэлементами, что позволит повысить чувствительность, уменьшить габариты датчиков.

Достоинства датчиков заключаются в высокой точности замера, малой инерционности, стабильности тарировочной характеристики (можно не делать тарировку датчиков при каждом испытании), малой виброчувствительности (можно ставить без переходников в места двигателя с сильной вибрацией), достаточной надежности при воздействии гидроударов и пульсаций давления. Тарировочная характеристика датчика близка к линейной. Недостаток датчика всего один, но достаточно серьезный – низкий уровень выходного сигнала, что ведет к малой помехоустойчивости всей системы из-за наличия усилителя с высокими коэффициентами усиления, когда собственные шумы усилителя и наводки в линиях становятся по величине сравнимыми с полезным сигналом.

Частотные датчики. Используется автоколебательная система в режиме непрерывной или прерывистой генерации. Измеряемый параметр воздействует на эту систему, изменяя частоту колебания, что образует выходной сигнал датчика. Для медленно меняющихся давлений в качестве колеблющихся тел используются струны (струнные дат-

чики) или тонкая пластина (вибрационно-частотные датчики). Схемы частотных датчиков для замера медленно меняющихся давлений приведены на рис. 7.3.

Струнный датчик работает следующим образом: продукты сгорания проходят во внутреннюю цилиндрическую

277

полость датчика, которая выполняет роль рамки с укрепленной на ней струной. Генератор возбуждает колебания струны. Под действием давления рамка растягивается, и струна начинает колебаться с частотой, пропорциональной растяжению рамки под действием сил давления. Частота колебаний струны замеряется с помощью катушки. Эта частота и является выходным сигналом датчика

f = f02 + 4εl 2Eρ ,

где f0 – частота собственных колебаний, l – длина струны, E, ρ – модуль упругости и плотность материала струны, ε – деформация струны.

Рис. 7.3. Схемы частотных датчиков: 1 – генератор колебаний; 2 – струна; 3 – сильфон; 4 – катушка, с которой снимается выходной сигнал; 5 – рамка; а – струнный датчик; б – вибрационно-частот- ный датчик

Вибрационно-частотный датчик давления работает следующим образом: продукты сгорания попадают в полость датчика и деформируют коробку, прочно соединенную со стенкой полости. Внутри коробки находится генератор, который возбуждает колебания наружной стенки коробки. Частота этих колебаний пропорциональна давлению продуктов сгорания.

Погрешность замера давления струнными датчиками составляет от 0,2 до 0,3 % при частоте собственных коле-

278

баний от 3 до 6 кГц. Допустимый интервал температур окружающей среды ±40 °С. Тарировочная характеристика датчиков нелинейная (≈ 4 5 %). При изменении температуры упругого тела появляется температурная погрешность датчика, так как меняются длина, плотность, модуль. Это приводит к сдвигу тарировочной характеристики. Отличие от амплитудных датчиков в том, что информация с датчика поступает дискретно. Для регистрации нужна специальная аппаратура, либо частотно-цифровые преобразователи, запись выходного сигнала, как правило, на магнитных регистраторах.

Достоинства струнных датчиков заключаются в высокой точности замера давления, стабильности тарировочной характеристики при эксплуатации (примерно 6 месяцев), высоком уровне выходного сигнала. Недостатки: значительная чувствительность показаний датчика к температуре, вибрациям, сильная нелинейность тарировочной характеристики, необходимость применения частотно-амплитуд- ных (или цифровых) преобразователей.

7.3.2. Измерение быстро меняющихся давлений

Измерение быстро меняющихся давлений является одной из самых сложных задач измерения параметров двигателя вследствие разнообразия факторов, влияющих на процесс (колебания, неустойчивые режимы, переходные режимы), сложных условий эксплуатации измерительной аппаратуры. Датчики ставятся, как правило, в местах возникновения пульсаций, где подвергаются действию высокой температуры, интенсивных вибраций. Необходимо провести замеры колебаний давления с амплитудой до 20 % от номинала при уровне давления до 100 МПа с частотой до 20 кГц [8, 21].

Пульсации замеряют только электрическими методами. Для измерения полного давления применяют только параметрические датчики, пульсации могут замеряться как параметрическими, так и генераторными. Чаще всего

279

используют магнитные регистраторы, при дешифровке – анализаторы спектра частот, амплитудные анализаторы и т.д.

При замере полного давления предельная погрешность измерения датчика не должна превышать 2 %, причем фазовые искажения должны быть минимальными. Пульсации давления должны замеряться с предельной погрешностью измерения амплитуд основных гармоник не более 10 %, погрешностью измерения частоты не более 2 %, при величине фазовых искажений не более 30 %. Должна быть предусмотрена возможность работы в более широком частотном диапазоне, а также высокая чувствительность, стабильность и линейность тарировочных характеристик датчиков; малый уровень собственных шумов. Датчики должны работать в широком интервале температур как замеряемой

(–253 +3500 °С), так и окружающей сред (–60 +100 °С)

и выдерживать при этом вибрации с амплитудой виброускорений до 500 g.

Для датчиков пульсаций чаще всего используют мембраны, которые воспринимают давление и защищают чувствительный элемент от действия среды и температуры. Датчики могут быть с жесткой мембраной – прогиб мембраны приводит к измерению электрических параметров датчиков (индуктивные, емкостные), и могут быть с мягкой мембраной – мембрана здесь только передает усиление на чувствительный элемент (тензометрические и пьезоэлектрические датчики).

Индуктивные датчики. В конструкции используется измерение магнитного сопротивления магнитной цепи и, следовательно, индуктивности катушки, надетой на сердечник и включенной в цепь переменного тока. Мембрана, воспринимающая давление, является якорем системы. Между мембраной и катушкой существует зазор (∆) , величи-

на которого составляет от 0,3 до 1 мм. Под действием внутрикамерного давления двигателя величина зазора меняется, изменяя магнитное сопротивление цепи. Потерями в датчике, которые определяют его чувствительность, являются

280