Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги из ГПНТБ / Унгерман М.Н. Техника океанологических наблюдений на поисковых и промысловых судах

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

25.10.2023

Размер:

13.5 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1617 / 2217 18 19 20 21 22 > Следующая >>>

Н е с к о л ь ко опытных вариантов окспметров такого типа было

создано	т а к ж е и з а р у б е ж о м [217].
Полярографический метод в настоящее время				распростра
няется	все	шире, д а н н ы е	специально -проведенного	сравнения
результатов		определений	растворенного кислорода	полярогра

фическим, фотом стряпческим		и йодам етрическими методами по
казали,	что эффективность	применения океиметров в настоя
щее время еще не настолько превосходит эффективность			стан
дартного метода 'Вниклѳра,		чтобы от него можно было отка
заться	[166]. Тем не менее	применение электрохимических	ме

тодов определения растворенного кислорода весьма перспек

тивно, особенно для непрерывных	.измерений in situ.
Г л а в а	V I

• В С П О М О Г А Т Е Л Ь Н Ы Е И З М Е Р И Т Е Л И И В С П О М О Г А Т Е Л Ь Н О Е Н А У Ч Н О Е

ОБ О Р У Д О В А Н И Е

§1. ТЕХНИКА ИЗМЕРЕНИЯ ГЛУБИНЫ ПОГРУЖЕНИЯ

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

В процессе	океанологических н аб л е д е н и й	и при	многих
других работах	на промысле очень большое	значение	имеет

возможность измерения глубины погружения датчиков .измери тельных систем и определения глубины положения орудий лова . При зондировании, буксировке измерительных устройств ком плексов (в частности, при измерениях на фиксированных гори

зонтах),	желательно	постоянно иметь информацию о глубине,
так как	в противном	случае поступающая океанологическая

информация в значительной степени обесценивается. Иногда о глубине погружения приборов судят по длине вытравленного троса пли кабеля, но это приводит к неизбежным и весьма су щественным ошибкам, связанным с трудностью учета перемен

ных углов наклона к а	б е л я , а	т а к ж е	с непостоянным сносом,
колебаниями датчиков,	качкой	и др.	Ошибка при определении

глубины сказывается на репрезентативности результатов из мерений и, в конечном счете, может привести к неправильной оценке океанологических условий ,в исследуемом районе.

•Несмотря на в а ж н о с т ь информации о глубине, некоторые современные океанологические приборы датчиками глубины не

снабжаются вообще или, как, например, термогирлинды		осна
щаются	лишь одниім концевым датчиком, а положение	датчи
ков 'на	промежуточных горизонтах не контролируется.	В на

стоящее время становится очевидным, что почти все океаноло гические подводные измерительные системы удобно с н а б ж а т ь датчиками глубины (давления), так к а к это в большинстве слу-

11—416

161


чаев упрощает работы			и может		существенно				повысить ценность
л ол уч а емо й ннф о рім ацни.
О р и	океанологических			работах		на	судах		измерение	глуби
ны, ікаік	правило, сводится			к измерению			гидростатического дав
ления. При этом д.тя океанической						воды		значение плотности
принимается р а в н ы м примерно					1070 я г / м 3			[113].
З а д а ч а		измерения статических				давлений			в технике	хорошо
изучена	и	в настоящее	вірѳмя		может		быть		достаточно	просто

решена на основе серийных датчиков, используемых в промыш


ленности, или измерителей, специально	р а з р а б о т а н н ы х		для
океанологических измерений. Общие и	частные вопросы		рас
чета, конструирования и эксплуатации промышленных		датчиков
давления достаточно подробно описаны	в специальной	техниче
ской литературе [18, 23, 32, 45, 92, 128,	138]. ©месте	с тем в

океанологической литературе вопросы техники измерения дав ления освещены недостаточно.

;В отличие от многих других первичных преобразователей океанологических величин большинство датчиков давления обычно имеют две ступени преобразования и состоят из чувст вительного элемента, переводящего давление в механическое


перемещение,		и преобразователи,		преобразующего	механиче
ское перемещение			в некоторый электрический параметр,			подле
ж а щ и й измерению			или регистрации. Иногда механическое			пере
мещение	передается на индикатор			или регистратор	без преоб
р а з о в а н и я	в	электрический сигнал		посредством системы		кине
матики. Свое		название, например,		емкостные, тензометрпческие,

индуктивные и другие датчики, как правило, получают по спо собу преобразования механического параметра в электрический.

•В качестве чувствительных элементов чаще всего использу

ются механические упругие	элементы,		величина			деформации
		которых связана с давле
		нием		известной			функцио-
j i Г ,	,	нальной			зависимостью.
		Эти.ми элементами						могут
		быть		мембраны,			пласти
-С:	"s	ны,		гофрированные				диа
		фрагмы,			сильфоны,			мано
Ô		метрические						т р у б к
		(трубки			Б у р д о н а ) ,				цн-

Рис. 78. Мембрана:			лиидры		(ил и бочкообраз-
а — схематическое изображение; б — с х е м а		рас-	НЫе	Т р у б к и ) .			ЧуВСТВН-
пределення усилий.		тельные			элементы				во

			многих		случаях		для		уве
личения жесткости и упругости механически					объединяются				с
различны ми п р у ж и нами.
М е м б р а н о й называется тонкая обычно круглая						д и а ф р а г м а ,
закрепленная по периметру	(рис. 78, о) , толщина					которой			по
отношению к диаметру бесконечно мала, и поэтому						можно счи-
162

тать, что при воздействии давления в ней возникают только» радиальные усилия, а изгибающим усилием можно пренебречь . Пірп деформации поверхность мембраны приобретает сфериче скую форіму (рис. 78,6).

П р и небольших давлениях м е м б р а н ы имеют линейную ха рактеристику перемещения центра в зависимости от давления . Линейность величин напряжения мембраны и перемещения ее

центра	в зависимости	от давления	сохраняется до тех	пор, по
ка (92] .
		5 < 0,005л.		(VI—.1 )
П р и	этом величина	отклонении	центра мембраны	от плос

кости ненапряженной мембраны может быть вычислена по фор муле і[92]

г"-Р

		4Q		(VI—12>
		4Q
а н а п р я ж е н и е мѳмібраны
		h		(Ѵ І - 3)
		h
•Это	напряжение	при выполнении условия (VI — 1)		распре
деляется	равномерно	по всей поверхности	мембраны .
П р и	измерениях	флуктуации давления	необходимо	т а к ж е

учитывать собственную резонансную частоту мембраны, вели

чина .которой м о ж е т быть вычислена			по формуле
	;	_ 1,2 Л Г	Q	(VI—4).
				(VI—4).
в формулах (V—1)—!(ѴІ—4)		Р — давление:
Q —«аггяіжеиие	мемібраиы;
Y—.плотность	материала	мембраны;

h —толщина мембраны; X — напряжение;

г — радиус мембраны.


	Мембраны		в	качестве
чувств и тел ьн ы х				элементов
датчиков		давления исполь
зуются в		тех случаях, когда
для	измерения			достаточны
небольшие			перемещения,
что	наблюдается,			например,

в индукционных и емкост ных датчиках, описанных ниже. Механические пара-

Рис. 79. Пластина:

- схематическое изображение; распределения усилий.

I I *	163'

метры мембран и ограниченные деформации определяют и об ласть 'применения их — измерение небольших давлений или флуктуации д а в л е н и я . Конструктивное оформление и размеры

мембранных

чувствительных

элементов

зависят

от

назначения

и типа датчика [92, 138].

П л а с т и н о й называют диафрапму, толщина

которой

сравни

ма с диаметром и величиной

перемещения

ее

центра. Д и а ф р а г

м ы

(рис' 79, а,

б)

являются

одним из

наиболее

часто

исполь

зуемых чувствительных

элементов.

Величина

отклонения

центра

пластины

от

е е ' п л о с к о с т и в

непогруженном

состоянии

(см. рис. 79,6)

определяется

по

фор

м у л е

3(1

—

|А=)/-'Р

= — ï ï ï ï £

( Ѵ І ^ >

где

|Л — коэффициент

Пуассона;

Е — модуль

Юнга.

П р и этом

линейность

зависимости

м е ж д у перемещением

центра пластины и приложенным давлением

будет сохраняться

до

тех пор, пока

0 , 5 Л .

(VI—6)

отличие

от д и а ф р а г м

напряжения

пластине

распреде

ляются неравномерно и максимальны по внешнему

периметру,

где их величина

определяется

соотношением

Зг"-Р

•

(VI—7)

При переменном давлении минимальное значение резонанс

ной

частоты в

воздухе может

быть вычислено

по

формуле

2,56h

"*/-=.

3 Ï Ï Ï ^ > '

( V

- * >

/ р " = —

а «

воде

/рез =

( V W )

1 +

0,66

7 Л

где ув—плотность

воды.

Т а к и м обіразом,

с л е д у е т

и м е т ь в в и д у ,

что

д л я

реальных

п л о т н о с т е й о к е а н и ч е с к о й

в о д ы ф а к т и ч е с к а я

ч а с т о т а

'собствен

н о г о р е з о н а н с а

таікнх д а т ч и к о в

б у д е т

н и ж е

п а с п о р т н о г о

зна

чения

(дл я в а к у у м а

или в о з д у х а )

в 7—10

р а з .

164

П л а с т и н ы

так

же,

к а к

мембраны, применяются

ів

датчи

ках,

где

не требуется слишком

большого

перемещения

чувстви

тельного

элемента.

(рис. 80, а,

б)

\і

'Гофрированные

мембраны

диафрагм ы

мем

бранные

коробкиI

(рис. 80, в)

отличаются

наличием

гофров,,

расположенных по их внешне-

му

диаметру .

Гофрированные

диафрагмы

допускают

значи

тельно

большие

изменения,

чем

плоские

мембраны, — до

2% диаметра . В тех случаях,

когда

таких

перемещений

ока

зывается

недостаточно,

две

или

несколько

гофрированных

диафрагм собирают в мем

бранную коробку. Гофриро

ванные

чувствительные

эле

Рис.

80.

Гофриро

Рис.

81.

Оиль-

менты

обладают

значительно

ванные

диафраг

Іфан.

большей

эластичностью,

чем

а, б

мы:

плоские

диафрагмы,,

которая

— гофрированные

мембраны;

в — мем

в общем случае пропорцио

бранная

коробка.

нальна

количеству гофров,

но

уменьшается

с увеличением

их

глубины. Б о л ь ш а я эластичность

гофрированных д и а ф р а г м и возможность получения

значитель

ных перемещений

во

многих

случаях

оказываются

удобными,

чем объясняется их широкое распространение, особенно при из мерениях малых давлений или малых флуктуации давлений . При измерении больших давлений такие диафрагмы обычно со четают с более жесткими упругими элементами, например, пру

жинами . В этих случаях			жесткостью гофрированных д и а ф р а г м
иногда пренебрегают вообще, и тогда они используются				только
для	раздела	сред. Д л я этих целей в приборах, предназначенных
для	морских	измерений,	металлические гофрированные	диа

фрагмы нередко заменяют на аналогичные элементы из резины


или других эластичных материалов [97]				(например, в			траловом
автографе глубины ТАГ-200).
Сильфоны	(рис. 81) допускают еще			большие		перемещения,
чем гофрированные д и а ф р а г м ы , но			их	механические			упругие
свойства -значительно		хуже. Поэтому		их	обычно	используют
только к а к эластичные		разделители	сред		.з сочетании		с други
ми упругими	элементами . Д а в л е н и е		к	оильфону		прикладыва

ется так, чтобы он испытывал деформацию сжатии. При этом эффективная площадь сильфона определяется соотношением[92]

.(VI—ilO')

где D—внешний и d— внутренний диаметр гофров сильфона.

165

Эластичность оплыфонов в общем случае пропорциональна внешнему диаметру и числу гофров и резко уменьшается с 'уве личением толщины стеноік.

Трубіки Бурдона заіииімают особое место среди прочих чув ствительных элементов. Основное преимущество их заключает ся в том, что при небольших собственных размерах н доста точной жесткости они позволяют получить перемещение значи тельно большие, чем все другие чувствительные элементы, при чем эти перемещения могут иметь характер не только поетупательный. 'но и вращательный .

Р а з л и ч а ю т

С-образные

(рис.

82, о ) ,

винтовые (рис.

82,6)

спиральные

(рис. 82, в) трубки

Бурдона .

При

подаче

давления

внутрь

трубки

С-образные

трубки испытывают

деформацию

« р а з г н о а н н яз

а спиральные и в и н т о в ы е — д е ф о р м а ц и ю

раскру-

ч ив а и и я

(н аир а вл е и и е

перемещения

свобод

ного конца трубок ука

зано

на

рисунках

стрелками) .

Большие

величины

перемещений

для

С-образных

тру

бок,

например,

дости

гающих

5—10%

их

Рис. S2.

Манометрические

диаметра,

позволяют

трубки Бурдона:

применять

их в

сочета

а — С-образная;

о — винтовая;

û—

нии

с реостатными и

спиральная.

индукционными

(в

том

числе

типа

сельсинов)

преобразователями

или

использовать

непосредственно

в каче

стве

механических

индикаторов или

регистраторов

д а в л е н и я .

Н а и б о л е е эластичны

спиральные

трубки,

которые . используются

для измерения более низких давлений . С-образиые трубки не сколько жестче и обеспечивают меньшие перемещения . Наи большей жесткостью обладают винтовые трубки, которые ис пользуются при измерении давления вплоть до максимальных глубин океана. Существенно, что свободный конец винтовой трубки под воздействием давления получает вращательное дви жение относительно оси трубки. Во многих случаях это оказы

вается	очень удобным при	последующих преобразованиях .
'К	недостаткам трубок	Бурдона следует отнести повышен

ную чувствительность к вибрациям, а при малых размерах —

заметный гистерезис, который, например, для С-образных							тру
бок обычно достигает 2%		уже	при	диаметре 50 мм;	тем	не	ме
нее во многих случаях для реальных перемещений					свободного
конца	трубок (для диаметра		50 мм — около 3 мм)		таким		ги
стерезисом возможно пренебречь.
П р и	океанологических	р а б о т а х		манометрические		трубки
Бурдона находят довольно		широкое		распространение.	Наиболее

166

(просты в изготовлении С-образные трубки. Д л я таких трубок угол отклонения свободного конца под воздействием давления

может быть'.вычислен по формуле			[32,	92]
		Д а	1,16	PR1				(VI
			1,16	hEb				(VI
где Дф— угол отклонения свободного конца трубкчі;
Ф — угол между концами трубки;
R — радиус	изгиба;
h — тол щі ni а		станки ;
Ь — малая	полуось эллиптического сечения				трубки	(или	диаметр для
круглого		сечения); формула	(VI—M)		справедлива для			слѵчаев,
когда	b<^R.
Ц и л и н д р ы пли бочкообразные			трубки		(рис.	83, а,	б)	пред
ставляют собой		цилиндрические	трубки,		з а к р ы т ы е		с	одного

кониа толстостенной крышкой, или крышкой типа «зонтик» —


трубки			зонтичного				типа
(рис.		83,	в ) . При подаче г-
давления			внутрь			трубка
типа,		изображенного					на
рис.		83,	а ,	претерпевает
деформацию,				в	результа
те	которой			ее	«раздува
ет» и она принимает боч
кообразную форму. Труб
ка	эллиптического					сече
ния		(см.	рис. 83,6)				пре	Рис. 83. Манометрические .цилиндр ьк
терпевает еще					и	другую
								, б — бочкообразные: в — «зонтичного» типа.
деформацию:				под		давле
нием		ее	сечение		стремит

ся к окружности. Основной полезной деформацией трубок зон

тичного	типа является одновременная		деформация	стенок	и
крышки,	отчего крышка принимает		форму, в центре близкую
ч сферической, наподобие		зонтика.
ДЛЯ	цилиндрических	трубок при	достаточно	большой	их

длине, пренебрегая деформациями несоизмеримо более толсто

стенных	крышки	и фланца,	для	общего	случая тангенциальные
напряжения на		внутренней	и	наружной	поверхностях .можно
выр азті ть	форімул ам и

(—У+1

7.D	Р W n	_	(vi—.IS)
			1
Ѵ.н =	Р		(VI—:13)

''і где /-„ и г„—наружный и внутренний диаметр трубки.

167

Из (VI—'12) и (VI—.13) видно, что в тех случаях, когда тол щиной стенок трубки пренебрегать нельзя, напряжение на внут ренней поверхности больше, чем н а п р я ж е н и е на внешней по верхности, которое вызывает ее деформацию . Эта неоднород

ность н а п р я ж е н и й	при вводит к	большой чувствительности	трубок
к перегрузкам, а	повышенное	напряжение на внутренних	стен

ках не позволяет допускать максимальную полезную деформа

цию наружной стенки. Величина деформации, н а р у ж н о й							стенки
оп р ед ел яется	соотнош е ни ем
	( 1 - 0 , 5 , ) -			Р і 2 -	^		(VI—44)
где Е—-модуль	упругости;
\|і — коэффициент Пуассона			материала	прубки.
Дл'я тонкостенных		трубок формула			(VI—44)	приобретает
более простой	вид
	6 =	р	,	(1 — 0.5Н-).			(VI-.15)
		Е	г„ — гв)
Д е ф о р м а ц и я цилиндров			всех типов невелппка, и			такте	чувст

вительные элементы обычно используются в сочетании с тензометри'чеоюимн преобразователями, описанными ниже. К а к от мечалось, наименьшие деформации и перегрузки допускают ци линдрические трубки круглого сечения. Эллиптические трубки допускают большие деформации . П р и этом характерно, что их деформации знакопеременны . Действительно, если сечение

трубки стремится к окружности, то под давлением

изнутри н а

внешней поверхности в местах с

наименьшей

кривизной

будут

иметь место

деформации

растяжении,

местах

наибольшей

"кривизны — деформации

сжатии . Это

очень

удобно

при

реали-

з ацтіи тензометрических

п реобр аз овател ей.

В н е ш н я я поверхность

крышки

цилиндра

зонтичного

типа

испытывает

только

д е ф о р м а ц и ю

р а с т я ж е н и я ,

которая

будет

в ы з в а н а н а п р я ж е н и я м и ,

аналогичными н а п р я ж е н и я м в круглой

пластине, сложенными

напряжением

за

счет

деформации

сте

нок цилиндра .

^Большая жесткость и достаточная прочность цилиндра по

зволяют использовать

их д л я

измерения

очень

высоких

давле

ний, но в тех случаях,

когда

нет

опасности

возникновения

слишком больших перегрузок.

'Рассмотренные

основные

типы

чувствительных

элементов

преобразуют

давление

в механическое перемещение,

которое

м о ж е т непосредственно

передаваться

на

индикатор

или

реги

стратор, как,

например,

в батитермографе

или

тральном

авто

графе глубины, или

преобразовываться

в электрический

сигнал,

168

как, например, в датчиках большинства современных зондов и других систем для дистанционных измерений.

Примером устройства с механическим регистратором д а в ления является распространенный на флоте тральный автограф глубины ТАГ-200 [196]. Схема кинематической системы пзобра - . жена на рис. 84. В качестве чувствительного элемента здесь ис

пользуется -гофрированная

резиновая д и а ф р а г м а

толщиной

4,5 мм и диаметром 63

мм. При

воздействии гидростатического

давления

перемещение

цен

тра

эластичной

д и а ф р а г м ы

пе

редается

турел.и

соединен

ной

со

штоком

3, который под

держивается

сменной подково

образной

пружиной

глубины 4,

являющейся

основным

упру

гим элементом датчика. Систе

ма

рычагов

кинематической

системы

предназначена

для

передачи

перемещения

турели

записывающему

элементу

при

одновременном

ув е л ич е н и и

амплитуды

этого

перемеще

ния. Эта

система

обеспечивает

увеличение

масштаба

записи

в 7

раз.

Mex а н ич ее к и е

регистрато

ры не обеспечивают дистанци

онной

передачи

информации,

поэтому

используются

только

<в

автономных

регистраторах

глубины. В этом случае несом

ненным преимуществом их яв

ляется

непосредственное

полу

чение записи

без

промежуточных

преобразований,

что

упрощает

и удешевляет

все

устройство в

целом. К недостаткам следует

отнести большую инерционность и практически всегда значи

тельные габариты и масс у Г Кроме того,	при океанологических
работах почти всегда имеет решающее	значение	в о з м о ж н о с т ь
дистанционной передачи информации.
В датчиках глубины в большинстве	случаев	механическое
перемещение д и а ф р а г м ы преобразуется	в элект.рнчеакий пара

метр. Наиболее простыми преобразователями являются реос татные. Такой преобразователь представляет собой реостат, ползуноік которого перемещается за счет деформации чувстви тельного элемента. Очевидно, что для получения достаточной точности необходимы значительные перемещения контакта, по этому реостатные преобразователи используются обычно в со четании с чувствительными элементами, допускающими боль-

169


шіне деформации, — чаще					всего		с трубками Бурдоіна', гофриро
ванными		д и а ф р а г м а м и		или мембранными					коробками.	Наиболее
удобно	сочетание		реостатных				преобразователей с			трубками
Бурдона,		свободный		конец		которых		соединяется		с д в и ж к а м
реостата.		Несомненным			преимуществом				реостатных	преобразо
в а т е л и	является		простота конструкции, возможность							получения
больших		уровней	выходного			сигнала		без	применения	электрон

ных усилительных схем, возможность питания от любого .ис точника напряжения (переменного пли постоянного), а также хорошая стабильность характеристики. Перечисленные особен


ности привели к достаточно широкому распространению						таких
преобразователей		в датчиках	гидростатического		давления,		ког
да не требуется очень высокой точности, надежности и						малой
инерционности.
К недостаткам		реостатных	преобразователей		следует	отнес
ти б о л ь ш у ю	инерционность, невысокие р а з р е ш а ю щ у ю					способ
ность и точность.		Р а з р е ш а ю щ а я способность		определяется			ог
раниченной	точностью 'установки д в и ж к а			и	дискретностью

изменении сопротивления проволочных реостатов (кроме рео хордов) . Дополнительные погрешности возникают за счет непо стоянства и износа подвижного контакта, что особенно заметно при вибрациях. Срок службы и надежность таких преобразо вателей обычно т а к ж е не очень велики .

'Большое распространение в океанологических наблюдениях получили тензометрическпе преобразователи . Такие датчики используются в сочетании со многими чувствительными элемен

тами, но чаще всего в сочетании			с пластинами, д и а ф р а г м а м и и
цилиндрами .	Обладай	хорошей	частотной		характеристикой,
практической	безынѳрционностыо,		они	применяются как		при
измерениях статических		давлений,	так и	при	регистрации	пере
менных давлений и флуктуации .			Преимуществами тензометрп-

ческих преобразователей является высокая стабильность харак теристики, возможность получения хорошей точности и чувст


вительности			при очень незначительных				д е ф о р м а ц и я х чувстви
тельного		элемента,		высокая	надежность,		возможность			питания
любыім	(переменным или. постоянным)						током.		Существенным
достоинством			тензометрических			преобразователей			является так
ж е в ы с о к а я			температурная		стабильность		и	возможность		доста
точно	просто		осуществляемой			дополнительной			тѳрмокоміпенса-
цин, если		таковая		требуется.		К некоторому		недостатку		таких

датчиков следует отнести низкий уровень выходного сигнала и низкое выходное сопротивление, что необходимо учитывать при

непосредственной передаче информации		на большие			расстоя
ния с датчика без дополнительного преобразования				или		уси
лия.
Тензорезисторы таких преобразователей обычно 'наклеива
ются на поверхность чувствительного	элемента		в	тех	местах,
где имеется деформация растяжения	пли	сжатия .	В	тех		случа-

170

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1617 / 2217 18 19 20 21 22 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ