4. Типовые датчики управления, контроля и телеизмерений

Одним из наиболее важных элементов, необходимых для управления и контроля технического состояния ДУ ЖРД при наземной летной эксплуатации, являются датчики. От них требуются как высокие метрологические характеристики (точность, стабильность, широкий диапазон измерений, быстродействие и т.д.), так и высокие эксплуатационные свойства (безотказность, контроль и ремонтопригодность, доступность, малые массы и габариты).

Все применяемые в ДУ ЖРД датчики можно разделить на два класса:

• непрерывного действия, выдающие непрерывный сигнал, пропорциональный измеряемому параметру;

- дискретного или релейного действия, выдающие импульсный сигнал только при достижении параметром определенного верхнего или нижнего уровня.

Второй тип датчиков точнее, легче и надежнее, однако их информативность о процессах в ДУ ограничена. Обычно их называют сигнализаторами параметров (давлений, температур, расходов, уровней и т.д.) или реле.

В качестве датчиков и сигнализаторов давления в ДУ применяются датчики мембранного, сильфонного или пьезокристаллического типа, определяющих величину контролируемого давления, используются мембраны, сильфоны и пьезокристаллы.

а – дискретного действия с релейным преобразователем сигнала контактного типа; б – непрерывного действия с дублируованным электромеханическим преобразователем сигнала реостатного типа; 1 – штуцер подвода контролируемого давления p; 2 – мембрана; 3 – шток; 4 – опоры-ограничители прогиба мембраны; 5 – контактная группа; 6 – регулировочный винт; 7 – штепсельная вилка; 8 – опорный рычаг; 9 – ползунок; 10 – реостат

Рисунок 10 – Мембранные датчики давления

Простейшая схема мембранного датчика давления дискретного типа (сигнализатора давления) изображена на рисунке 10,а.

При достижении определенной величины контролируемого давления мембрана 2 прогибается и штоком 3 замыкает контакты 5, выдающие электрический сигнал в САУ ДУ или на на­земное оборудование. Регулировочный винт 6 может изменять зазор в кон­тактной группе и служит для настройки сигнализатора на определенное давление срабатывания при подготовке ДУ. Опоры 4 предохраняют мембрану от чрезмерного прогиба при забросах давления. Аналогичное устройство имеют и сигнализаторы давления с сильфонами вместо мембран. В датчиках давления непрерывного типа (рисунок 10,б) изменяется только пре­образователе механического смещения мембраны в электрический сигнал. Наиболее часто используются электромеханические преобразователи рео­статного типа.

Работа пьезокристаллических датчиков давления (рисунок 11) основана на свойстве пьеэокристаллов генерировать на своих противоположных концах разность потенциалов или напряжение, пропорциональные сжимающей кри­сталл силе.

В таком датчике в корпус 3 надежно вклеен пьезокристалл 2, защищаемый со стороны контролируемой среды тонкой стальной мембраной 1. К концам пьезокристалла крепятся электрические контакты, сигнал с которых, пропорцио­нальный измеряемому давлению, выводится через штепсельную вилку 4. Пьезокристаллические датчики имеют минимальную массу, являются датчи­ками непрерывного действия, но плохо переносят повышенную вибрацию.

1—предохранительная мембрана; 2- пъезокристалл; 3 — корпус; 4 — штеп­сельная вилка

Рисунок 11 - Пьезоэлектрический датчик дав­ления.

В качестве датчиков температуры в ДУ наибольшее распространение нашли малогабаритные и надежные термо­парные датчики и биметаллические тепловые реле, имеющие соответственно непрерывный и дискретный принцип действия. Работа термопарного датчика основана на термоэффекте - возникновении разности потенциалов в нагреваемом спае из двух разных металлических сплавов, например, хромель-алюмель или хромель-капель. Биметаллические реле основаны на фиксации изгиба при определенной температуре биметаллических пластин, спаянных из двух ма­териалов с существенно различными коэффициентами линейного темпера­турного расширения, например цинка и меди.

Для измерения небольших расходов проходящего компонента в ДУ при­меняются электромагнитные турбинные расходомеры непрерывного типа (рисунок 12).

1-корпус; 2-индукционный датчик; 3-крыльчатка; 4-опорные ребра;

5-счетно-решающий прибор

Рисунок12 - Электромагнитный турбинный расходомер.

В поток компонента на опорах 4 помещается легкая турбинная крыльчатка 3 из намагниченного материала. Проходящим потоком крыль­чатка раскручивается, при этом ее угловая скорость вращения ω опреде­ляется расходом т компонента.

Зная зависимость ω от т и количественно замеряя скорость вращения, можно вычислительным путем определить и расход компонента. Количественный замер ω производит на расходомере индукционный датчик 2, пред­ставляющий собой магнитную катушку индуктивности. При проходе мимо этой катушки лопасти крыльчатки в ней возникает «всплеск» (импульс) индуктивности, который и фиксируется. Зная число лопаток, а также измерив число импульсов за некоторый промежуток времени ∆ t, можно опреде­лить скорость вращения ω, а затем и m. Все перечисленные вычис­лительные операции выполняет специальный счетно - решающий прибор 5. При больших расходах компонентов данный датчик получается громозд­ким и тяжелым, поэтому переходят к измерению с помощью двух датчиков давления р₁ и р₂ перепада на эталонном гидросопротивлении R , на­пример, трубке Вентури или мерной шайбе. Поскольку гидропотери зависят от расхода т и гидросопро тивления магистрали, перепад давления ( p₁ - p₂ ) на эталонном гидросопротивлении R позволяет обратным пересчетом однозначно и с достаточной точностью определить расход: m = √(p₁ –p₂)/ R..

Для контроля угловой скорости вращения роторных агрегатов ДУ(ТНА, бустеров, электромоторов и т.д.) аналогично турбинному расходомеру ( рисунок 12 ) используются индукционные или емкостные датчики, работающие совместно с соответствующими счетно-решающими приборами. При этом в конструкции вращающихся роторов предусматриваются специальные зубча­тые втулки, генерирующие "всплески" индуктивности или емкостного сопро­тивления при проходе зубцов втулки мимо датчика.

Последним типом датчиков, используемым в ДУ, являются поплавковые индуктивные или емкостные датчики уровней компонентов в баках, приме­няемые в системах контроля заправки (СКЗ) и СОБ. Примером может слу­жить датчик СКЗ (рисунок 13). В герметичном корпусе 2 на ряде строго извест­ных уровней h_i

1 - поплавок; 2 - корпус; 3 — емкостный конденсатор; 4 —фланец

Рисунок13 - Емкостной датчик уровня для контроля угловой скорости

размещены емкостные конденсаторы 3. Поднимающийся при заправке уровень компонента топлива передвигает вдоль корпуса датчи­ка поплавок 1. При проходе топлива мимо конденсатора наблюдается "всплеск" (импульс) емкостного сопротивления, по которому фиксируется момент достижения топливом в баке определенного уровня. Датчики СКЗ имеют 3-5 контрольных точек вблизи номинального уровня заправки бака, а датчики СОБ 7-10 контрольных точек по всей длине бака.

Датчики ДУ, задействованные в системе ее автоматического управления, как правило, по устройству и принципу действия идентичны контрольно-телеметрическим датчикам. Однако к надежности первых предъявляются

значительно более жесткие требования, поэтому они или чаще их измери­тельные части дублируются или троируются (см. рисунок 10,б).

2 Расчет электромагнитных приводов

При расчете электромагнитных приводов необходимо определять параметры электромагнита (если отрабатывается новый ЭПК) или проверить возможность применения электромагнитов отработанных ЭПК. Исходной величиной в обоих случаях является максимальное потребное усилие R_max электромагнита. За усилие R_max принимается наибольшее из R₁, R₂ (рисунок 14), вычисленных из уравнения равновесия клапана в верхнем и нижнем его положениях. Методика составления уравнений равновесия аналогична принятой для агрегатов пневмоавтоматики.

Напишем уравнение магнитной цепи для электромагнита

(2.1)

где - сумма магнитных напряжений в стали;

Н₀- напряженность магнитного поля в воздушном зазоре l₀ между электромагнитом и якорем;

I – сила тока в обмотке электромагнита;

ω- число витков обмотки.

Известно, что

(2.2)

где В₀ – магнитная индукция в воздушном зазоре,

μ₀ =10^-7 м*кг*с^-2*а^-2 –магнитная постоянная.

Падение магнитного напряжения в стали и в радиальном зазоре l между якорем и электромагнитом составляет 15-35% от падения напряжения в воздушном зазоре l₀ . Учитывая это обстоятельство, уравнение (2) можно переписать в виде

(2.3)

где φ=1,5 -1,35

1- усилия R₁, R₂

Рисунок 14- Схема электропневмоклапана

Сила притяжения якоря к электромагниту

(2.4)

где S – площадь якоря.

Подставив в уравнение (2.4) значение В₀ из выражения (2.3), получим

(2.5)

Если в зависимости (2.5) величину I подставить в амперах, постоянную μ₀ – в кг*м*с^-2*а^-2, то силу R получим в ньютонах.

ЭПК работает нормально при условиях, что R≥R_max. При не выполнении этого условия необходимо изменить параметры Iω, S электромагнита.

3 Отчетность по лабораторной работе

Для защиты лабораторной работы занятий студент должен представить отчет, выполненный согласно ГОСТ. Объем отчета должен быть не более 10 листов формата А4, графически он может быть выполнен от руки или на принтере.

В отчете должны быть представлены:

- титульный лист;

- введение;

- содержание;

- заключение;

- список литературы.

Контрольные вопросы

1. Каково назначение агрегатов автоматики и датчиков ЖРД?

2. Какова классификация агрегатов автоматики и датчиков ЖРД?

3. Каково функциональное назначение мембранных и пиромембранных клапанов?

4. Каково функциональное назначение обратного клапана?

5. Каково функциональное назначение ЭПК?

6. Каково назначение и принцип действия газового редуктора?

7. Чем отличаются регуляторы от дросселей?

8. На каких физических принципах работают датчики ЖРД?