1. Введение

При конструировании летательных аппаратов важную роль играют при­боры и датчики давления. Приборы давления (манометры абсолютного давле­ния и дифференциальные манометры) используются на летательных аппара­тах для измерения давлений воздуха, газов и жидкостей в элементах авиадви­гателя и различных бортовых системах- в системе наддува герметично ка­бины, в тормозной системе, в системе выпуска массы и закрылках и др. Дат­чики давления преобразуют давление в электрический сигнал, используемый в системах автоматического управления и в вычислительных устройствах; дат­чики давления входят также составной частью в комплект электрических дис­танционных манометров.

Целью рассматриваемой задачи математического моделирования является определение влияния относительного удлинения витка потенциометра на изменение крутизны датчика давления.

2. Постановка задачи математического моделирования

2. 1 Назначение, принцип действия и конструкция датчика.

Назначение. Разрабатываемый датчик давления предназначен для измерения давления газовых сред в диапазоне 0¸0,6 МПа. Крутизна выходной характеристики прибора равна 2,5 В/МПа. Выходная информация представляется в форме электрического сигнала. Функциональная схема прибора представлена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Функциональная схема датчика давления.

Принцип действия. Принципиальная схема прибора изображена на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Принципиальная схема датчика давления.

Измеряемое давление Р подается на чувствительный элемент. Под действием возникающей силы F_дв мембрана прогибается, преобразуя ее в линейное перемещение w. Далее это перемещение передается в передаточно-множительный механизм (ПММ), где преобразуется в угол φ, на который поворачивается ось подвижной системы. На этой же оси закреплена щетка потенциометра. Датчик перемещения – потенциометр, преобразуя угловое перемещение щетки s, изменяет отношение сопротивлений R₁/R₂, что приводит к изменению напряжений в электрической схеме.

Конструкция датчика. В качестве чувствительного элемента в разрабатываемом приборе выбрана гофрированная мембрана (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Чувствительный элемент – мембрана.

Мембраны широко применяются в приборостроении, так как они позволяют измерять давления в широком диапазоне с высокой точностью. По сравнению с плоскими мембранами, которые редко применяются в авиационных приборах, гофрированные мембраны имеют ряд преимуществ:

• большая величина максимально допустимого прогиба, при котором отсутствуют остаточные деформации, что позволяет использовать гофрированные мембраны для измерения больших величин давлений;

• большая линейность характеристики за счет увеличения начальной жесткости мембраны;

• большая стабильность характеристики и большая устойчивость к влиянию перекосов при закреплении мембраны.

Характеристика мембраны имеет следующий вид:

Eh

P_i = ------------ (ah²W_i­ + bW_i³), (2.1)

R⁴

где Р – давление;

h – толщина мембраны;

Е – модуль упругости материала мембраны;

W – прогиб центра мембраны;

R – рабочий радиус мембраны;

a, b – коэффициенты, зависяшие от размеров и формы гофров.

Графики этой зависимости показан на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Характеристики мембран.

Перемещение жесткого центра мембраны передается на передаточно-множительный механизм, в данном проекте представленный синусной кулачковой передачей (рис. 2.5), которая относится к передачам со скользящим соединением, то есть требует обязательного силового замыкания звеньев для обеспечения кинематической связи между ними при обратном движении механизма. Силовое замыкание здесь осуществляется пружиной.

Рис. 2.5. Синусная кулачковая передача.

Достоинствами синусной передачи является простота изготовления и постоянство передаточного отношения при небольших перемещениях толкателя.

Ось подвижной системы закреплена в опорах на кернах (рис. 2.6.).

Рис. 2.6.Опоры на кернах.

По сравнению с другими видами опор с трением скольжения, кроме опор с конической рабочей поверхностью, опоры на кернах имеют относительно большой момент трения. Также к их недостаткам можно отнести невысокую точность центрирования оси вращения подвижной системы. Однако опоры на кернах обладают рядом преимуществ, благодаря которым получили широкое распространение, а именно:

• простота конструкции;

• способность воспринимать сравнительно большие как осевые, так и радиальные нагрузки;

• хорошая механическая прочность в условиях вибраций;

• небольшой износ.

В качестве датчика перемещения для данного прибора выбран потенциометр (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Потенциометр.

Потенциометры применяются в авиационных приборах для преобразования медленно изменяющегося перемещения в изменение выходного напряжения. К недостаткам потенциометрических преобразователей можно отнести наличие момента трения между щеткой и обмоткой, нелинейность характеристики вследствие витковой погрешности, невысокую долговечность из-за истирания контактирующих элементов и невысокую надежность в условиях вибраций и линейных перегрузок за счет потери электрического контакта. Но эти недостатки компенсируются рядом преимуществ потенциометрических датчиков, а именно:

• способностью работы на постоянном и переменном токе;

• линейностью статической характеристики с точностью до витковой погрешности в диапазоне углов перемещений до ±180°;

• малой подверженностью помехам со стороны внешних магнитных полей;

• отсутствием фазового сдвига выходного сигнала при работе на переменном токе;

• значительной выходной мощностью сигнала, в большинстве случаев не требующей усиления;

• простотой конструкции, малой массой и габаритами.