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

настолько тонкими, а объем сосуда Б настолько большим, что пере­ менная составляющая давления не попадет в камеру В. При этом постоянная составляющая полностью пройдет в камеру В. Схема исключения постоянной составляющей при измерении давлений в воде или другой жидкости показана на рис. 7.11, б .

В)

В - А :

f

л

Рис. 7.11. Схема установок для исключения постоянной со­ ставляющей давления

При повышении давления в рабочей камере уровень жидко­ сти в сосуде Б поднимется и повысит давление в камере В до ве­ личины, равной постоянной составляющей р=. Подбором сече­ ния трубки 1 и объема жидкости в сосуде Б можно добиться того, что переменная составляющая в камеру В не попадет.

Таким образом, используя инерционные свойства тонких тру­ бок и объемов жидкости и газа, можно разгрузить мембраны от постоянных составляющих давления.

42„ Индуктивные приемники

Приемник, в котором под действием давления происходит из­ менение индуктивного, а следовательно, и полного сопротивлений, называется индуктивным.

На рис. 7.12 показан наиболее простой тип индуктивного при­ емника. Измеряемое давление р, приложенное к мембране, вызы­ вает ее смещение относительно катушки. Изменение зазора б приводит к изменению магнитного сопротивления цепи и по­ этому^— к изменению индуктивности катушки. В цепи переменного тока, в которую включена катушка, производится измерение при­ ращения полного, а следовательно, и индуктивного сопротивлений.

Область применения приемника определяется двумя величи­ нами — относительной чувствительностью при измерении данной величины давления и собственной частотой прибора.

Относительная чувствительность е прибора выражается фор­ мулой

Дг

228

где z — полное сопротивление приемника; A z — приращение пол­ ного сопротивления под воздействием сил давления.

Полное сопротивление приемника определяется по формуле

В стали); со — частота переменного тока; /wL — индуктивное со­ противление катушки, равное отношению /соW'3 к магнитному со­ противлению цепи гт.

Рис. 7.12. Типы индуктивных преобразователей

Магнитное сопротивление zm в данном случае складывается из сопротивления стали магнитной цепи zmcT и магнитного сопро­ тивления воздушного зазора zm6; последнее равно

будет иметь гиперболическую зависимость от величины воздуш­ ного зазора б.

Это приводит к тому, что в кривой зависимости полного сопро­ тивления от величины зазора б линейный участок весьма мал и составляет всего 0,1—0,15 величины начального зазора б0. Дру­ гим существенным недостатком приемника, показанного на рис. 7.12, а, является зависимость результатов измерений от тем­ пературы, нестабильности напряжения и частоты тока питания и других внешних факторов.

Оба недостатка могут быть устранены в дифференциальном приемнике. Дифференциальный приемник (рис. 7.12, б) имеет две

229

катушки, между которыми расположена мембрана. В результате прогиба мембраны под действием измеряемого давления воздуш­ ный зазор между сердечником одной из катушек и мембраной уве­ личивается. В то же время воздушный зазор между сердечником другой катушки и мембраной уменьшается. Величина изменения зазора в обеих половинах датчика одинакова, что приводит к оди­ наковому по величине, но противоположному по знаку изменению индуктивного сопротивления катушек датчика. Если дифферен­ циальный приемник включен в цепь моста так, что обе катушки являются смежными плечами, то противоположные по знаку из­ менения сопротивления катушек складываются, а одинаковые по знаку — вычитаются. Поэтому чувствительность дифференци­ ального приемника в два раза больше (при R n —>оо) недифферен­ циального, а влияние внешних факторов (температуры и пр.) исключается ввиду того, что они изменяют величину полного со­ противления обеих катушек в одном и том же направлении и, следовательно, взаимно уничтожаются.

Если обе половины преобразователя не строго одинаковы, то погрешности из-за воздействия внешних условий будут иметь место и в дифференциальных приемниках.

Для уменьшения влияния непостоянства напряжения питания необходимо величину индукции в сердечнике выбирать соот­ ветствующей максимальному значению магнитной проницае­ мости ртах.

Линейный участок в кривой зависимости г (6) в дифференци­ альных приемниках значительно больше, чем в обычных, и до­ стигает 0,3—0,4 величины начального зазора б0.

Одному давлению на мембрану, а следовательно, и одному зазору 6 соответствует некоторое приращение индуктивного со­ противления Az. Если при том же давлении и том же зазоре кон­ структору удается увеличить значение Az, то этим самым он по­ вышает относительную чувствительность преобразователя.

Увеличить приращение индуктивного сопротивления при дан­ ном значении зазора 8 можно путем правильного проектирования корпуса преобразователя. Индуктивные датчики работают на пе­ ременном токе. Известно, что переменный магнитный поток рас­ пространяется не по всей площади поперечного сечения магнито­ провода, а лишь по его поверхности. Глубина, на которой ма­ гнитный поток практически затухает (глубина проникновения магнитного потока), уменьшается обратно пропорционально корню квадратному из значения частоты источника питания катушки

500 Гц она меньше 1 мм, а при частотах 5000— 10 000 Гц глубина -проникновения имеет значение сотых долей миллиметра.

Исследование цилиндрического индуктивного преобразова­ теля (рис. 7.13) приводит к следующим выводам о величине его относительной чувствительности [147].

230

1. Чувствительность будет наибольшей при соблюдении сле­ дующих конструктивных размеров преобразователя:

Толщины торцовых поверхностей а должны быть меньше или равны глубине проникновения магнитного потока.

2.При постоянном наиболь­ шем прогибе мембраны Абшах уменьшение абсолютных размеров преобразователя (Db D 2 и /) по­ вышает величину относительной чувствительности.

3.Число витков обмотки не влияет на величину относительной чувствительности (в некоторых пределах).

проведения измерений без усилителя непосредственно на высоко­ чувствительном вибраторе осциллографа (например, типа VIII осциллографа МПО-2).

Величина выходной мощности существенно зависит от макси­ мального прогиба мембраны Абтах. При значениях Абшах, мень­ ших 0,1 мм, трудно получить преобразователь (даже с диаметром 30—40 мм), дающий достаточную точность без усилителя.

Если преобразователь работает с усилителем, то выходная мощность его может быть небольшой, однако желательно, чтобы она была не меньше 20—30 мкВт. Размеры преобразователя в этом случае выбираются из конструктивных соображений, но практи­ чески диаметр его не может быть меньше 6—8 мм.

Преобразователь с усилителем. Конструкция одного из индук­ тивных преобразователей с усилителем показана на рис. 7.14. Основание 1, к которому припаяна тонкая (0,003 мм) гофриро-

231

ванная мембрана 2, завинчено на резьбе в корпус 3. В качестве материала для мембраны и сердечника 6 желательно использовать пермаллой или другой ферромагнитный материал с высокой маг­ нитной проницаемостью и малыми потерями. Основание и корпус могут быть изготовлены из любого другого материала, имеющего такой же коэффициент линейного расширения, как и мембрана. Различие между коэффициентами расширения материала для мембраны, основания и корпуса приводит к тому, что чувстви­ тельность преобразователя становится зависящей от температуры.

сквозь сердечник, служат для исключения в измеряемом неста­ ционарном давлении постоянной составляющей. Объем рабочей камеры и длина трубки делаются небольшими, а объем нерабо­

чей камеры (с другой стороны мембраны) — по возможности большим.

Регулировка воздушных зазоров производится при отсутствии разности давлений. Включение преобразователя вызывает появ­ ление звука от колеблющейся мембраны. В момент прилипания мембраны к сердечнику происходит резкое прекращение звука. Считая это положение за нулевое и зная шаг резьбы на сердечнике, можно легко установить необходимый воздушный зазор.

После регулировки зазора гайками 4 производится фиксиро­ вание положения катушек, ярма и сердечника. В неглубокие радиальные пазы 12 вставляется специальный ключ, с помощью которого регулируется величина воздушного зазора.

Каждая катушка имеет один вывод мягкого многожильного провода, проходящего в трубах 7; другие два конца катушек при-

232

паяны непосредственно к сердечнику. Следовательно, такой пре­ образователь имеет три вывода, из которых один общий (от кор­ пуса).

Преобразователь1, имеющий размеры 11x9 мм2 и работаю­ щий с усилителем, может измерять весьма малые давления. Давле­ ние в 1,5 мм вод. ст. (14, 7 Па) достаточно для того, чтобы при тол­ щине мембраны 0,03 мм и начальном зазоре 0,1 мм получить пол­ ное отклонение вибраторов (3—5 мА) магнитоэлектрических осциллографов.

Рабочее напряжение преобразователя при частоте тока источ­ ника питания 8000 Гц равно 12 В. Градуировочные кривые, по­ строенные для преобразователей, свидетельствуют о линейной зависимости в довольно широком диапазоне изменения давлений.

мощности, собран на лучевых тетродах. Напряжение, усиленное в первом каскаде, поступает через вторичные обмотки трансфор­ матора на управляющие сетки ламп второго каскада усилителя. Напряжение с двух половин вторичной обмотки трансформаторов подается на выпрямители, собранные на полупроводниковых

1 В лаборатории аэродинамики были применены преобразователи диа­ метром 6 мм и высотой 5 мм-

233

диодах, работающие по двухтактной схеме выпрямления. Полу­ чаемая на сопротивлениях R14 и R15 разность выпрямленных напряжений поступает на вибратор осциллографа.

При отсутствии давления изменением сопротивлений R5 и R1 мост приводится в равновесие, для чего с помощью кнопки К сопротивление R6 замыкается накоротко, а нижний канал усиле­ ния отключается от моста. Отсутствие тока в вибраторе осцил­ лографа будет соответствовать отсутствию напряжения в измери­

тельной диагонали и, следовательно,

графа МПО-2. Чувствительность их — соответственно 2 и 7 мм/мА, и собственные частоты — 3000 и 5000 Гц.

Точность измерений зависит в большей мере от амплитудной и частотной стабильности генератора несущей частоты. В схеме (рис. 7.15) генератор выполнен с независимым возбуждением. Задающий генератор настроен на частоту 8000 Гц.

При помощи этого прибора было измерено распределение дав­ лений на крыле, колеблющемся в потоке, на цилиндре при нали­ чии отрыва и на стенках элементов проточной части модели гид­ равлической турбины.

На рис. 7.16 приведена схема устройства малогабаритного индуктивного приемника давления [122]. Диаметр приемника' равен 11 мм, толщина — 6,4 мм. Диаметр мембраны — 8 мм, величина начального воздушного зазора— 0,25 мм. Мембрана и корпус приемника изготовлены из одного магнитного материала, состоящего из сплава никеля (42%) и железа. Такой приемник обеспечивает достаточную точность при измерении нестационар-

234

ных давлений с частотой до 400 Гц и абсолютной величиной до

0,6 кгс/см2 (5,9-104 Па).

Преобразователь без усилителя.; Конструкция дифференциаль­ ного цилиндрического индуктивного преобразователя, работаю­ щего без усилителя, показана на рис. 7.17. Две мембраны 1 я 8 припаяны в центрах к стальному штоку 9, на котором посередине

одинаковое значение во всей нерабочей области. В рабочую ка­ меру постоянная составляющая давления подается через штуцер 14.

Внутри корпуса винтами 11 закреплен сердечник 7 с катуш­ ками 10. Концы обмоток катушек через стеклянные герметизиро­ ванные изоляторы 4 выведены к трехжильному кабелю 3.

Для уменьшения потерь, связанных с возникновением вихре­ вых токов в сердечнике, и, следовательно, повышения чувстви­ тельности преобразователя сердечник 7, изготовленный из мягкой отожженной стали, имеет радиальные разрезы.

Такой преобразователь диаметром 41 мм и высотой 49 мм, изготовленный в ЛПИ, имеет линейную градуированную кривую и при толщине мембраны 0,05 мм и начальном зазоре 0,7 мм при давлении 10— 15 мм вод. ст. (98— 147 Па) обладает чувствитель­ ностью, достаточной для работы с магнитоэлектрическим осцил­ лографом.

235

Схема измерительной установки при работе с таким преобра­ зователем показана на рис. 7.18. Принцип действия установки сводится к следующему. Катушки дифференциального индук­ тивного преобразователя П включены в схему в качестве двух плеч моста, двумя другими плечами которого являются полуоб­ мотки W2 трансформатора Трі. В измерительную диагональ моста в качестве нагрузки включены вибратор магнитоэлектри­ ческого осциллографа через согласующий автотрансформатор Тр2 и фазочувствительный управляемый двухполупериодный выпря­ митель ф.

51 52

При нарушении равновесия моста под воздействием измеряе­ мого давления через автотрансформатор Тр2 потечет ток, который выпрямляется фазочувствительным выпрямителем ф, сглаживается фильтром и попадает в вибратор осциллографа, вызывая соответ­ ствующее отклонение последнего.

Направление выпрямленного тока зависит от фазы переменного тока в автотрансформаторе, которая, в свою очередь, зависит от знака давления в преобразователе. При перемене знака давле­ ния фаза переменного тока в диагонали моста (автотрансформаторе Тр2) изменяется на 180°, выпрямленный постоянный ток в вибра­ торе, в силу фазочувствительности схемы, изменяет свое направле­ ние на обратное, и вибратор отклоняется в другую сторону. Таким образом, схема чувствительна как к величине, так и к знаку измеряемого давления. Поясним назначение некоторых элемен­ тов схемы.

236

Реостат RI и конденсатор С2 (вместе с R3) служат для уравно­ вешивания моста соответственно по активной и реактивной со­ ставляющим. Об уравновешивании схемы судят по показанию мил­ лиамперметра переменного тока, включаемого во время уравно­ вешивания в диагональ моста (положение 0 переключателя В1).

В качестве фазочувствительного выпрямителя используется поляризованное реле. Применение его вместо полупроводниковых выпрямителей в данном случае вполне оправдывается значитель­ ным выигрышем в к. п. д. Кроме того, работа такого выпрямителя почти не зависит от температуры в отличие от полупроводниковых выпрямителей. Обмотка реле \КФ питается от фазового моста, со­ ставленного из двух половин первичной обмотки W1, силового трансформатора Трі, сопротивления Мф и емкости Сф.

наладки и подгоняется так, чтобы чувствительность схемы была максимальной.

Контуры фильтра а гС2 и а 2СЗ являются резонансными и на­ строены соответственно на вторую (100 Гц) и третью (150 Гц) гармоники основной частоты. Наличие этих резонансных филь­ тров пробок существенно улучшает сглаживание выпрямленного тока, поскольку в последнем содержится большой процент вто­ рой и третьей гармонической основной частоты (существование

ввыпрямленном токе третьей гармоники обусловлено наличием нелинейной зависимости тока от напряжения в катушках со сталью,

вданном случае — в катушках преобразователя). Чувствительность схемы регулируется переключателем В1,

так как «загрубление» чувствительности [147] сопровождается при этом улучшением линейности кривой преобразователя. Барреторы Б1 и Б 2 служат для стабилизации напряжения на пер­ вичной обмотке трансформатора, сопротивление R1 является балластным. Вся установка питается от сети переменного тока промышленной частоты (50 Гц).

Описанная схема работает весьма стабильно. Максимальная частота измеряемого процесса — не выше 5 Гц. Эту частоту можно поднять, если использовать источник питания соответственно повышенной частоты. Поляризованное реле устойчиво работает до частот 200—300 Гц, поэтому при более высоких частотах при­ менение становится невозможным и его следует заменить фазо­ чувствительной схемой с полупроводниками или иными выпря­ мителями, что существенно снижает к. п. д. выпрямителя и увели­ чивает погрешность установки.

43« Тензометрические датчики

В п. 41 показано, что под воздействием давления заделанная по внешнему контуру мембрана будет деформироваться. Поэтому, если на мембрану в качестве чувствительного элемента наклеить

237