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

На рис. 8.16 приведена форма сигналов при импульсной моду­ ляции. Если на импульсы, обеспечивающие питание преобразова­ телей (рис. 8.16, а), наложить измеряемый процесс (рис. 8.16, б), то в зависимости от схемы воздействия возможны три типа импульс­ ной модуляции [63]: амплитудно-импульсная (рис. 8.16, в), ши­ ротно-импульсная (рис. 8.16, г) и фазо-импульсная модуляции

(рис. 8.16, б).

В первом случае измеряемый процесс изменяет амплитуды импульсов, во втором — он изменяет ширину, а в третьем — поло-

жение импульсов внутри периода генерируемых импульсов. При пользовании тензометрическими преобразователями можно при­ менять амплитудно-импульсную модуляцию, которая осуще­ ствляется в потенциометрических и мостовых схемах путем за­ мены синусоидального питания этих схем импульсным питанием. Импульсное питание позволяет увеличить, по сравнению с сину­ соидальным, амплитуду питающего напряжения.

Одним из преимуществ импульсной модуляции является отно­ сительно малая занятость линии, соединяющей датчик с измери­ тельной аппаратурой, так как время подачи импульса обычно составляет значительно меньше 10% от всего периода. Последнее позволяет использовать эту линию и для коммутации.

Коммутация при измерении давлений электрическими мето­ дами, так же как и в радиотехнике, может быть осуществлена следующими двумя способами [63].

1. Электрические сигналы передаются последовательно из многих точек по одному проводнику. Это так называемое времен­

268

ное уплотнение, так как все сигналы разворачиваются во времени. 2. В данный момент времени по соединительной линии пере­ дается несколько сигналов на разных несущих частотах. Это так

называемое частотное уплотнение.

Если измеряемые процессы периодические, то при временном уплотнении развертку во времени можно производить либо после­ довательным подключением всех точек на весь период, либо по­ следовательным подключением всех точек в течение одного пе­ риода много раз на очень короткие промежутки времени, т. е. частота подключения в этом случае должна быть во много раз

шинстве существующих схем коммутации при измерении с боль­ шим периодом имеют место элементы, поочередно подключающие датчики к выводу на измеряемый прибор. К таким эле­ ментам — переключателям — предъявляются следующие требо­ вания: 1) сопротивление переходного контакта должно быть малой и постоянной величиной; 2) переключатели должны иметь малые габариты; 3) соединяться в схему с малым числом линий для их управления; 4) надежно и длительное время работать без регулировки.

Схема коммутатора, применяемого в установке ЛПИ, пока­ зана на рис. 8.17. Питание электромагнита Э1 током с напряже­ нием ПО В производится двумя проводниками 1 через щетки. Электромагнитом Э1 осуществляется последовательное подклю­ чение емкостных датчиков С1—С6 к генератору изучаемых ча- стотно-модулйрованных сигналов.

В неподвижных установках в качестве коммутатора можно использовать типовой телефонный искатель. Существует много

При коммутации с малыми периодами резко возрастают тре­ бования к частоте измеряемых импульсов. Поэтому обычные меха­

269

нические переключатели с использованием реле пригодны только для медленно меняющихся величин давления. В этом случае желательно применение электронных коммутаторов с различными типами электронных ключей. Электронные коммутаторы, имея малые габариты, позволяют передавать импульсы с очень большой частотой, а некоторые из них одновременно совершают модули­ рование амплитудно-модулированных сигналов в импульсы.

Так как обычно при таком способе коммутации пользуются амплитудно-импульсной модуляцией, то при этом улучшается

Рис. 8.18. Блок-схема временного уплотнения при малом периоде ком­ мутации с тензометрическим датчиком

помехоустойчивость. Блок-схема измерений с временным уплот­ нением при малом периоде коммутации и при использовании тензо­ метрических датчиков показана на рис. 8.18.

Генератор импульсов /, создавая п импульсов с временным сдвигом, питает через щетки или другим путем блок 2, располо­ женный во вращающемся колесе, и блок 13, питающий измери­ тельную неподвижную аппаратуру. На колесе импульсы от блока 2 через трансформаторы 4 подаются на мостовые схемы 3, плечи которых содержат тензометрические датчики. Сигналы с датчиков поступают на коммутирующие блоки 5, последовательно включаю­ щие датчики в линию, соединяющую их через токосъемник с общим усилителем 6.

Блоки 6— 13 обеспечивают выделение сигналов соответствую­ щих датчиков 7, их усиление 8, детектированное через фазочув­ ствительный детектор 9, и после прохождения через фильтр 11 — регистрацию на осциллографе 12.

Аналогичная схема может быть применена для емкостных и индуктивных датчиков.

270

При частотном уплотнении соединительная линия используется для передачи нескольких сигналов на различных несущих ча­ стотах.

Блок-схема трех каналов измерений давлений емкостными преобразователями при частотном уплотнении и частотной моду­ ляции показана на рис. 8.19. Три емкостных датчика 1, 2, 3 управ­ ляют частотой генераторов

до появления переменного давления частота местных генераторов делается такой же, как частота генераторов 4, 5 и 6, то на выходе из смесителя получается частота, соответствующая динамиче­ ской составляющей давления.

Измерители частоты 16, 17 и 18 преобразовывают изменение частоты А/ в изменение тока, которое регистрируется шлейфами осциллографов 19, 20 и 21. Аналогичная схема может быть пред­ ложена для любого количества точек с емкостными или индук­ тивными датчиками.

49. Контактный и бесконтактный съемы

Контактный съем электрических величин с вращающихся элементов машин обычно осуществляется щетками. При съеме неизбежно появляются помехи, которые могут существенно изме­ нить результаты измерений. Для устранения помех проведены многочисленные исследования по выбору материалов пары щетка — кольцо, имеющих наименьшие помехи. Результаты [226] иссле­ дований различных материалов приведены в табл. 8.1.

Из таблицы видно:

1) что наименьший уровень шумов дает ртуть с амальгированными кольцами;

2) чистые металлические поверхности с мягкими металло­ графитовыми щетками дают меньшие помехи, чем металлы, покры­ тые пленками окислов.

Из многочисленных опытов по изучению помех при контактном съеме установлено следующее:

1) с увеличением силы трения между щетками и кольцами уменьшается напряжение шумов;

271

1 Указанные в таблице величины получены при скорости скольжения на двух включенных параллельно контактах 35 м/с.

2)при установке большого числа параллельно включенных пар напряжение шумов пропорционально квадратному корню из числа контактов;

3)с увеличением скорости скольжения пропорционально рас­ тет напряжение шумов;

4)с течением времени под трущимися контактами накапли­ ваются продукты износа, которые нарушают надежность контакта;

5)смазка токосъемника такими жидкостями, как керосин и бензин, уменьшает износ щеток и тем самым уменьшает напряже­ ние шумов.

страции электрических величин на неподвижном приборе без токосъемника путем приема электромагнитных колебаний, излу­ чаемых генератором, находящимся на вращающейся модели.

В такой схеме с помощью одного из датчиков величина давле­ ния преобразуется в некоторую электрическую величину. Ее изменения приводят к изменению собственной частоты контура генератора, а следовательно, и к изменению частоты излучаемых электромагнитных колебаний. Соответствующий приемник при-

272

нимает эти колебания, демодулирует их, и затем после усиления величина напряжения измеряется на осциллографе.

Блок-схема прибора (рис. 8.20), построенного в лаборатории аэродинамики ЛПИ инж. Г. В. Смирновым [128], включает емко­ стный датчик 1, генератор частотно-модулированных сигналов 2, приемник частотной модуляции 3, осциллограф 4 и блок питания.

Емкостный датчик преобразует измеряемое давление в электри­ ческий параметр — емкость, которая включена в колебательный контур генератора и влияет на его резонансную частоту. При отсутствии давления датчик имеет начальную емкость С0. Этой емкости соответствует определенная средняя частота электри­ ческих колебаний в контуре генератора, а значит, и частота излу-

Рис. 8.20. Блок-схема прибора ЛПИ для бесконтактного измерения давлений

чаемых антенной колебаний. Таким образом, два элемента схемы — датчик и генератор, расположенные во вращающейся модели, осуществляют процесс, который схематически можно показать так:

ник частотной модуляции. Приемник усиливает сигнал и преобра­ зует его в выходное напряжение U (t), которое, поступая на вибра­ тор осциллографа, вызывает пропорциональное ему отклонение светового пятна на экране. Весь процесс измерения можно пред­ ставить в виде

Р(0 -> С (0 ~» f (t) — U (0 -> A (t)

или, отбрасывая промежуточные явления,

Р (0 — A (t),

т. е. изменения давления выражаются через величину отклонения светового пятна осциллографа.

Питание аппаратуры осуществляется от сети переменного тока. Блок питания содержит выпрямитель, электронный стабилизатор анодного напряжения и феррорезонансный стабилизатор.

Рассмотрим устройство и работу каждого элемента схемы более детально.

Датчики. Конструкция датчика зависит от целей и условий измерений. В аэродина­ мической лаборатории ЛПИ применялись

точках выпуклой и вогнутой поверхно­ стей лопасти.

Конструкция последнего датчика, при­ меняемого при исследовании модели кора­ бельного винта, показана на рис. 8.21. Натянутая на стальное кольцо мембрана

влопасти сквозное отверстие. Пробки 2

и5, так же как и вся лопасть, изготовля­ лись из органического стекла. Поверх­ ность выемки на внутреннем торце проб­ ки 5 покрыта слоем серебра, нанесенным путем напыления в вакууме. Этот слой и мебрана являются электродами датчика.

От них к генератору выводится два про­ вода.

Мембрана датчика ( 0 8 мм) изготовля­ лась электролитическим способом. Для этого стальное кольцо с запрессованной внутри него цинковой пластинкой покры­ валось в электролитической ванне слоем никеля. Толщина покрытия 0,02 мм. По­ сле этого цинк вытравливался, и в ре­ зультате получалась мембрана из ни­ келя, прочно соединенная со стальным кольцом.

Давление с поверхности лопасти по­ ступает в полости датчика через два от­ верстия. Если оба отверстия открыты, то мембрана находится под действием разно­ сти давлений на верхней и нижней поверх­ ностях лопасти. Сигнал датчика в этом случае пропорционален подъемной силе, действующей на элемент сечения.

Заклеивая одно из отверстий, можно последовательно измерять давление как на нижней, так и на верхней поверхностях. В последнем случае для повышения точ­ ности измерений постоянная составляю­

винта с датчиками щая давлений исключалась путем соеди­ нения двух камер емкостного датчика

274

демпфирующим устройством. Постоянная составляющая изме­ рялась отдельно методами, указанными в и. 30.

На рис. 8.21 изображен продольный разрез по толщине лопа­ сти винта в месте нахождения датчика. Видно, что обе полости емкостного датчика соединены межу собой длинными трубками 4, свернутыми спиралью. Эти трубки вместе с резервуаром являются демпфирующим устройством. Резиновая трубка 3 необходима для статической тарировки. Отсоединив трубку 4, можно через спиральную трубку подавать в полость датчика заданное давление и таким образом протарировать датчик.

От каждого датчика идут два провода. Часть их от нескольких датчиков объединена в общий провод, который соединяется с мас­ сой установки, другие проводятся порознь в коммутирующее устройство.

Генератор« Передающий генератор собран на одной лампе типа 6С6Б. Схема генератора приведена на рис. 8.22. Колебательный контур состоит из ка­ тушки индуктивности L2 и подключен­ ной параллельно ей емкости датчика. В анодную цепь лампы включен контур обратной связи. Такой тип генератора

Генератор не имеет специального элемента, выполняющего функции передающей антенны, так как для надежной работы при­ емника вполне достаточно того излучения, которое дают катушка индуктивности и провода, соединяющие ее с датчиком.

Питание генератора осуществляется через систему контактных колец со щетками. Известно, что трущиеся контакты вызывают пульсации напряжения, которые могут вызвать паразитную модуляцию. Для устранения этих пульсаций в анодную цепь лампы, кроме обычного фильтра-развязки, вводился дополни­ тельный фильтр с большой постоянной времени.

При вращении модели детали генератора находятся под дей­ ствием центробежных сил, а также сил, возникающих в резуль­ тате вибраций и сотрясений модели. Так как даже небольшие смещения деталей, особенно тех, которые входят в колебательный контур, могут вызвать изменение емкости последнего и привести к искажениям измеряемого процесса, то при изготовлении гене­ ратора особое внимание обращалось на создание прочного мон­ тажа. По той же причине в генераторе использовалась лампа, специально отобранная из серии однотипных и обладающих наибольшей жесткостью крепления внутренних электродов. Для уменьшения действий центробежных сил на лампу генератор устанавливался в модели так, чтобы ось катода лампы совпадала с осью вращения модели.

Средняя частота генератора в зависимости от начальной емко сти используемых датчиков С0 находится в диапазоне 22—26 МГц.

Приемник.: Супергетеродинный приемник частотно-модулиро- ванных сигналов может быть настроен на любую частоту в пре­ делах диапазона 22—30 МГц. Схема приемника приведена на рис. 8.23.

Принимаемый сигнал с контура L2C1, индуктивно связанного с антенной, поступает на управляющую сетку смесительной лампы Л1. На ту же сетку подается напряжение от отдельного гетеродина с лампой Л2 6Н8С. Выделяющееся на контуре L5C12 напряжение промежуточной частоты 4,5 МГц поступает в первую ступень усилителя промежуточной частоты — в лампу ЛЗ. Вто­