книги из ГПНТБ / Стрижевский, И. В. Хемотроника

пения пузырька затруднена или вообще невозможна (например, гравиметры, применяемые для геодезических работ под водой). В приборах повышенной точности, например тех же гравиметрах, весьма важно, чтобы кон­ струкция индикатора уровня обеспечивала отсутствие помех перемещению пузырька внутри корпуса.

Как видно из рис. 39, в корпусе 1 индикатора уровня находятся пузырек 2 газа п электроды 3—6, погруженные в жидкость с низкой электропроводностью. Для инди­ кации уровня используется мостовая схема, в которой

Рис. 39. Индикатор уровня

электроды образуют плечи моста переменного сопротив­ ления, а фиксированные сопротивления 7 — плечи моста постоянного сопротивления; в цепь включены источник постоянного тока 8 и гальванометр 9. Величина сопро­ тивления каждой пары электродов определяется толщиной слоя покрывающей их жидкости. При перемещении пу­ зырька толщина слоя изменяется, что вызывает разба­ ланс токовой цепи, фиксируемый гальванометром. Вели­ чина тока в гальванометре, пропорциональная смещению пузырька из первоначального положения, зависит также от направления этого смещения.

Для измерения углового отклонения движущихся систем иногда используются ртутные переключатели уров­ ня. Однако гораздо более чувствительными приборами для измерения углового отклонения являются жидкост­ ные переключатели уровня. В отличие от ртутных переключателей, действующих по наиболее простой схеме «включено—выключено», в жидкостных переключателях проводимость между электродами представляет собой ли­ нейную функцию наклонного смещения пузырька.

140

Чаще всего такие переключатели имеют небольшой, слегка изогнутый по верхней поверхности корпус, запол­ ненный электролитом, в котором плавает пузырек газа. При изменении положения пузырька меняется сопротив­ ление между электродами, расположенными вокруг пу­ зырька. При фиксированном положении пузырька сопро­ тивление между любой парой электродов зависит от множества факторов — размеров и формы электродов, химического состава электролита, материала и формы электродов, окружающей температуры.

Рис. 40. Указатель углового отклонения движущейся системы от горизонтали

На рис. 40 показана характерная конструкция жид­ костного индикатора уровня пузырькового типа. Камера 1, заполненная жидкостью с низкой электропроводностью и малой вязкостью, имеет вверху закругленную поверх­ ность, где расположены электроды 2 tn \3\ ^нижняя по­ верхность электродов соответствует форме камеры. Элек­ тролит не полностью заполняет камеру; остается место для пузырька 4, газа, который при равновесном поло­ жении прибора находится в центре камеры. Пузырек

пересеченный центральной перегородкой 6, которая не доходит до верха камеры как раз на толщину пузырька. Таким образом, перегородка и пузырек делят камеру на две равные части. Правая и левая части камеры соеди­ нены между собой пузырьком и отверстием 7, располо­ женным в нижней части перегородки. Это отверстие служит демпфером. Оно ограничивает поток вдоль дна камеры и, следовательно, контролирует скорость переме­ щения пузырька, являющуюся функцией площади отвер­

141

стия. Возможна конструкция прибора, в котором площадь демпфирующего отверстия будет регулируемой.

Ширина пузырька ие превышает ширину камеры, поэтому при ускорении или угловом смещении прибора он может двигаться только в продольном направлении. Его движение замеряется с помощью мостовой схемы. При питании схемы моста переменным током отклонение пузырька вправо или влево от среднего положения оп­ ределяется фазовым отношением выходного и приклады­ ваемого напряжения, а при питании мостовой схемы по­ стоянным током — переменой полярности выхода. Для питания схемы моста лучше использовать переменный ток, так как при этом электрохимическое воздействие на поверхность электродов сводится к минимуму.

Описанный прибор используется в качестве аксельро-

заподлицо с внутренней верхней поверхностью корпуса.

всю эту поверхность. Сопротивление между электродом 5

верхней искривленной поверхности 254 мм. Он измеряет отклонение от горизонтали вокруг оси, нормальной к плоскости рисунка. Прибор, чувствительный к отклоне­ ниям по двум осям, можно сделать из двух переключа­ телей, поместив их под прямым углом друг к другу. Для этой же цели можно использовать переключатель в форме сфероида с четырьмя электродами на верхней поверхности.

Установлено, что на обратимость электрохимических реакций вблизи электродных поверхностей сильно влияет наличие на электродах тонкой пленки из платинового

142

сено на поверхность платиновых электродов по крайней мере двумя способами. Электролит, содержащий йодид натрия, с опущенными в него электродами нагревают 48—60 час до 125° С. Избыток атомов йода в растворе, так же как и нагрев, способствует образованию покры­ тия. Второй способ заключается в том, что на переклю­ чатель подают переменный потенциал в нормальном ра­ бочем режиме.

К электролиту для переключателей уровня предъяв­ ляются жесткие требования. Он должен обладать стабиль-

Рис. 4І. Малогабаритный переключатель уровня

ноы электропроводностью в широком диапазоне температуры и иметь долгий срок службы в самых разнообразных условиях. При низких температурах вязкость электролита не должна сильно увеличиваться, сам электролит должен быть инертен к материалу электродов и всех деталей переключателя, с которыми он находится в контакте. Известны многие составы электролитов, но тем не менее здесь остается много нерешенных вопросов. Чаще всего используются растворы йода и йодида натрия в кето­ нах — алифатических, ароматических, циклических и др. Особенно рекомендуются алифатические кетоны. Напри­ мер, бензилкетон, нафтилкетон, бензилэтилкетон, циклогексанбензилкетон, циклогексанизопропилкетон, метилизобутилкетон, метилэтилкетон, диэтилкетон и особенно смесь диизопропилкетона и диизобутилкетона в отноше­ нии 2 : 3 или 3 : 2.

Пропорции составляющих электролита можно изме­ нять, но желательно, чтобы в каждых 100 мл раствора имелось не менее 4—6 г йодида натрия и 10—14 г йода. Увеличение концентрации йодида натрия при определен­

1 «

ных условиях повышает электропроводность раствора. Однако концентрация не может превышать величины, при которой возможно нарушение стабильности работы прибора (особенно при низких температурах) из-за кри­ сталлизации йодида натрия в растворе. Увеличение кон­ центрации йода до определенного значения вызывает улучшение электропроводности раствора; дальнейшее по­ вышение концентрации не дает эффекта при комнатной температуре, а при пониженной (порядка минус 50—55° С) вызывает уменьшение электропроводности.

Перед использованием йодид натрия и йод должны храниться в эксикаторе и при взвешивании помещаться на стеклянную пластинку во избежаиие загрязнения ме­ таллом. Приготовленный электролит надо хранить в гер­ метичном стеклянном сосуде.

Для выполнения всех этих условий желательно рабо­ тать с небольшим количеством химических веществ, не­ обходимых для приготовления электролита.

Приборы для контроля полета самолета

Применяемые автопилоты при всех своих несомненных достоинствах все же не лишены некоторых недостатков: они сложны в изготовлении, громоздки и тяжелы, так как в них имеются гидравлические насосы, электродви­ гатели. Электрохимические системы контроля полета само­ лета проще в изготовлении и, что самое главное для авиационного оборудования, могут быть легкими. Кроме того, для них не требуется никакого тяжелого оборудо­ вания — насосов, поршней, клапанов и т. д.

К электрохимическим системам контроля полета отно­ сятся системы, в которых управляющий сигнал является результатом изменения сопротивления электрической цепи при изменении расстояния между электродами, погружен­ ными в жидкую среду.

На рис. 42 показан один из приборов для регулиро­ вания направления. Его корпус 1 заполняется высоко­ омной жидкостью, например метиловым спиртом, не за­ мерзающим при очень низких температурах. В нижней части корпуса жестко закреплена круглая плата 2 из бакелита или другой изоляционной пластмассы, покрытой металлическим электропроводным материалом 3. Над

144

пластиной расположен компас 4 с обычным круглым магнитом 5, поддерживаемый в центральной точке под­ шипниками. Нижняя металлическая проводящая поверх­ ность 6 компаса электрически соединена с диаметрально расположенными электродами 7 и 8, проходящими через верхний изоляционный слой"компаса.гНад компасом""установлена регулирующая' стеклянная плата 9, на нижней стороне которой на равном радиальном расстоянии от оси компаса помещены электроды 10 и 11. 'Угловое’ по­ ложение этих электродов регулируется-вращением голов-

Рис. 42. Автопилот

ки 12, укрепленной на плате валом, проходящим через отверстие стеклянной крышки 13.

Электромеханическая работа этой части прибора зак­ лючается в следующем: проводящая поверхность 3 платы 2 подключается к отрицательному полюсу, а электроды 10 и 11 через выводы 14 ж15 я сопротивление — к положи­ тельному полюсу источника тока. Все электроды вклю­ чены в мостовую схему измерения, показанную на ри­ сунке справа. При изменении положения электродов 7 ,11. а соответственно и 8, 10 относительно друг друга равно­ весие мостовой схемы нарушается, и через измерительный прибор потечет ток того или иного направления.

Жидкость обладает относительно высоким сопротивле­ нием, а металлические поверхности — относительно ма­ лым, поэтому движение тока через жидкость направлено от поверхности 3 к поверхности 6 и от одного из элек­ тродов 7 или 8 к одному (более близко расположен­ ному) из электродов 10 или 11.

Электроды 7 и 8 помещены на лимбе компаса таким образом, что плату 9 нужно вращать в пределах только 180°, чтобы электроды 10 и 11 оказались на равном рас-

стоянии от электродов 7 и 8. Когда самолет летит по принятому курсу, плата 9 вращением головки 12 уста­ навливается так, ято электроды 10 и 11 равно удалены от одного из электродов — 7, 8. При этом через выводы 14 и 15, подсоединенные к регулирующему рулю, прохо­ дит одинаковое количество тока; когда самолет меняет или теряет курс, ток, текущий от электрода на компас к одному из электродов — 10 или 11, возрастает, а сле­ довательно, возрастает в одном из плечей моста. Насту­ пает разбаланс моста, и ток в измерительной цепи меняет направление. Это изменение направления тока передается в виде сигнала на вертикальный регулирующий руль — самолет возвращается на прежний курс.

По этому принципу работают еще два прибора — для контроля горизонта и для регулирования тримперных поверхностей. В первом приборе, заполняемом метило­ вым спиртом, через верхнюю поверхность корпуса прохо­ дят два неподвижно закрепленных электрода. Примерно на середине прибора расположена опора, на которой укреплен балансир, качающийся около горизонтальной оси. На каждом конце балансира имеется по электроду; при качании балансира эти электроды то приближаются, то удаляются от неподвижных электродов. Качающиеся электроды подсоединены к проводнику, проходящему через дно корпуса, а неподвижные — к регулирующему прибору.

Прибор для регулирования тримперных поверхностей отличается от прибора для контроля горизонта лишь тем, что ось балансира располагается правее электродов, укрепленных на нем.

Мы видим, что устройства, работающие по одинако­ вому принципу, могут быть использованы для трех раз­ личных целей — для регулирования вертикального руля, контроля горизонтального полета и регулирования трим­ перных поверхностей. Конструкция всех трех приборов проста, и все они сравнительно нетяжелые — каждый прибор весит не более 8 кг.

Перейдем теперь к авиационным аксельрометрам — приборам, измеряющим ускорение самолета. В большин­ стве случаев принцип действия аксельрометров основан на перемещении сейсмической массы, находящейся внутри корпуса прибора; перемещение преобразуется в выходной сигнал, соответствующий ускорению объекта. Основные

146

различия аксельрометров такого типа связаны со спосо­ бами установки сейсмической массы в корпусе прибора и средств трансформации ее перемещения в выходной сигнал. В настоящее время известно много конструктивпых решений этих узлов прибора.

Принцип работы довольно большого класса аксель­ рометров основан на изменении сопротивления в электри­ ческой цени при смещении твердой сейсмической массы, поддерживаемой в электролите с помощью упругих мем­ бран или диафрагм. В аксельрометрах другого типа

Рис. 43. Акссльромстр с сейсмической массой поддерживаемой мембраной

используются U-образные трубки. В третьем классе при­ боров сейсмической массой служит жидкость, свобода перемещения которой ограничена мембранами или ком­ пенсаторами. Имеются и иные конструктивные решения с использованием вращающихся опорных конструкций для поддержания сейсмической массы с применением сейсмической массы, свободно плавающей в жидкости и пе испытывающей трения о стенки корпуса, и т. д.

Примером конструкции аксельрометра первого типа может служить миниатюрный компактный высокочув­ ствительный прибор, показанный на рис. 43. Алюминие­ вый цилиндрический корпус 1 (диаметр 37,7 и высота 17,5 мм) разделен на две камеры круглой гибкой мед­ ной диафрагмой 2\ диафрагма крепится к стенкам кор­ пуса, но может смещаться вдоль оси прибора. В центре диафрагмы укреплен электропроводный сейсмический эле­ мент 3, выполненный из меднобериллиевого сплава. Обе камеры заполнены электролитом, который поддержи­ вает сейсмический элемент в плавучем состоянии и одно­ временно выполняет роль демпфера.

10* 147

В верхней и нижней стенках корпуса имеются осе­ вые отверстия; в них вставляются цилиндрические стеклян­ ные пробки 4, герметизирующие корпус. Электроды 5, имеющие вид круглых медных дисков, крепятся к внут­ ренним поверхностям пробок на некотором расстоянии от сейсмического элемента. Электродные выводы 6 про­ ходят сквозь пробки, вывод 7 диафрагмы заземлен. Для ограничения потока ионов между электродами и сейсми­ ческим элементом внутреннюю поверхность алюминие­ вого корпуса и диафрагму покрывают электроизоляцион­ ным материалом.

При сборке прибора сейсмический элемент крепится в центральном отверстии диафрагмы так, чтобы в обе камеры корпуса выступали равные части элемента. После этого вокруг сейсмического элемента вырезают небольшие кусочки диафрагмы с тем, чтобы при смещении элемента между камерами корпуса создавался ламинарный поток электролита. Электролитом чаще всего служит смесь бутилового спирта с растворимой солью меди.

На рис. 43 дана схема измерительной цепи прибора. Аксельрометр запитан от трансформатора, соединенного с источником переменного тока. Выводы электродов под­ ключены ко вторичной обмотке трансформатора. Резистив­ ный элемент Й, служащий для получения нулевого баланса мостовой схемы, тоже подключен ко вторичной обмотке трансформатора. В измерительную диагональ моста (между движком резистивного элемента R и вы­ водом аксельрометра 7) включен измерительный прибор. При движении сейсмического элемента, которое соответ­ ствует силам, воздействующим на аксельрометр, электро­ литическое сопротивление между сейсмическим элементом и одним из электродов увеличивается, а сопротивление между элементом и другим электродом возрастает. В ре­ зультате возникает разбаланс моста, и в измерительной диагонали начинает протекать ток.

Экспериментально установлено, что срок службы жид­ костных аксельрометров зависит от температуры электро­ лита. Он может быть значительно удлинен, если темпера­ тура будет оптимальной для данного электролита и не­ сколько большей, Чем температура окружающей среды. Для поддержания такого режима требуется контроль и

148

а следовательно, изменяются демпфирующие и другие свойства раствора. В аксельрометрах второго типа, пред­ назначенных для измерения ускорения или определения положения тела (самолета, ракеты и т. д.), используются U-образные трубки, заполненные электропроводной жид­ костью. При перемещении жидкости изменяется сопротив­ ление электрической цепи. Шкала прибора калибруется таким образом, что указывает угол наклона объекта, или его ускорение, или то и другое вместе.

Рнс. 44. Аксельрометр с U-образноіі трубкой

На рис. 44 изображена U-образная трубка, заполнен­ ная жидкостью определенной плотности. Уровень жид­ кости в правом герметически закрытом колене ниже, чем в левом открытом колене, так как давление на по­ верхность жидкости в правом колене выше, чем в левом. Высоту столба, определяемую разницей уровней жидкости в обоих коленах, обозначим h. Давление на поверхность жидкости в правом колене равно давлению па поверх­ ность жидкости в левом колене плюс давление столба жидкости высотой h.

Когда на столб жидкости в левом колене будет дей­ ствовать неуравновешенная сила, являющаяся резуль­ татом ускорения, жидкость в правом колене поднимется от уровня а до уровня Ь; жидкость в левом колене опус­ тится с уровня с до уровня d. Разница между уровнями а и Ъ равна разнице между уровнями с и d, или а — Ъ= = с — d =х. В результате перемещения жидкости на рас­ стояние X напор в открытом колене снизился, уровень в закрытом колене поднялся и давление воздуха в нем повысилось. Таким образом, величина х служит показа­ телем силы, действующей на столб h, а следовательно,

149