Добавлен: 17.03.2024
Просмотров: 40
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Из электрических методов измерения давления практическое применение имеет ионизационный метод; ионизационные датчики используются на космических летательных аппаратах для измерения малых давлений верхних слоев атмосферы.
Электрохимические датчики пока не находят практического применения, так как они непригодны для измерения медленно измеряющихся давлений и, кроме того, имеют большие температурные погрешности.
Электромеханические методы— силовой и пружинный— более пригодны для измерения давления на летательных аппаратах, так как позволяют строить датчики, действующие в широких пределах— от тысячных долей до сотен и даже тысяч атмосфер. Наиболее прост силовой метод прямого преобразования, но его применение ограничено из-за недостаточной точности элементов, преобразующих развиваемое чувствительным элементом усилие в электрический сигнал; что касается пьезоэлектрических преобразователей, то они непригодны для измерения медленно изменяющихся давлений.
Метод силовой компенсации более перспективен с точки зрения повышения точности измерения давления, но датчики, построенные по этому методу, сравнительно сложны, что несколько ограничивает применение данного метода.
В связи с развитием бортовых цифровых вычислительных машин перспективным является частотный метод измерения давления, который пока еще недостаточно проработан.
Наиболее широкое применение на летательных аппаратах всех классов нашел пружинный метод, обеспечивающий достаточно точное измерение давления в нужном диапазоне. Ниже рассматриваются более подробно пружинные манометры и датчики давления, а также электрические дистанционные манометры.
3. Пружинные манометры и датчики давления
1. Пружинные манометры
Принципиальные схемы пружинного дифференциального манометра и пружинного манометра абсолютного давления представлены на рис. 1, а и б.
Чувствительный элемент 1а дифференциального манометра (см. рис.1, а) воспринимает разность давлений р1 — p2и преобразует ее в линейное перемещение S. В манометре абсолютного давления (см. рис.1,6) чувствительный элемент 16 вакуумирован (р20) и преобразует в линейное перемещение абсолютную величину давления р1.
Передаточно-множительный механизм в общем случае выполняет следующие функции:
а) преобразует поступательное движение чувствительного элемента во вращательное;
б) увеличивает малое перемещение чувствительного элемента до величины, удобной для точного отсчета показаний прибора;
Рис.8. Схема дифференциального манометра со сдвоенными чувствительными элементами
в) воспроизводит заданную функциональную зависимость между перемещением стрелки и измеряемым давлением.
При построении манометров по схеме рис. 1 необходима герметизация корпуса, что затрудняет регулировку механизма при подаче давления и практически исключает возможность измерения давления жидкостей, особенно агрессивных.
Этот недостаток отсутствует при использовании сдвоенных чувствительных элементов, состоящих из двух одинаковых упругих чувствительных элементов, внутрь одного из которых подается давление p1, а внутрь другого— давление р2(рис.8). Подвижные центры элементов расположены друг против друга и соединены между собой жесткой планкой, перемещение S которой служит мерой измеряемой разности давлений p1— p2и, передается с помощью передаточно-множительного механизма на отсчетное приспособление. Такие же сдвоенные элементы применимы и для измерения абсолютного давления, при этом один из сдвоенных элементов вакуумируется (p20), во внутреннюю полость другого подается измеряемое давление p1(см. рис. 6).
Для исключения погрешностей, обусловленных изменением окружающего давления, сдвоенные элементы должны иметь одинаковую эффективную площадь.
2. Пружинные датчики давления
Пружинные датчики давления (см. рис. 2) отличаются от пружинных манометров тем, что вместо отсчетного устройства в них имеется электрический преобразователь, который преобразует линейное или угловое перемещение в одну из электрических величин. При использовании параметрических преобразователей (реостатных, индуктивных, трансформаторных, емкостных и др.) выходной электрической величиной является сопротивление R, индуктивность L, взаимоиндуктивность М, емкость С; в случае включения параметрического преобразователя в электрическую цепь с внешним источником питания выходным сигналом может служить напряжение
U или сила тока I. В большинстве случаев применяют электрические преобразователи дифференциального типа (рис.9), в которых при перемещении подвижной части одновременно изменяются два однородных параметра, причем когда один из них увеличивается, другой уменьшается. Достоинством дифференциальных преобразователей является возможность уменьшения температурных погрешностей (при включении преобразователя в схему делителя напряжений или в мостовую схему), уменьшение электромагнитных и электростатических сил притяжения между подвижными и неподвижными частями и увеличение чувствительности преобразователя.
Рис.9. Дифференциальные электрические преобразователи:
а потенциометрический, б индуктивный, в емкостный
Передаточные отношения механизмов в датчиках давления обычно имеют меньшую величину, чем в манометрах, так как они выбираются не из условия обеспечения точного визуального отсчета показаний, а с целью удобства преобразования перемещения в электрический сигнал. Выбор передаточного отношения определяется типом электрического преобразователя. Наибольшее передаточное отношение требуется при использовании реостатных и потенциометрических преобразователей, в которых ход щетки должен быть достаточно велик, чтобы относительная величина витковой погрешности не превышала допустимого значения. В случае применения поворотных индуктивных трансформаторов и емкостных преобразователей с переменной площадью полюсов или электродов передаточное отношение может быть значительно уменьшено по сравнению с реостатными и потенциометрическими устройствами. Наконец, при использовании индуктивных и емкостных преобразователей с переменным рабочим зазором, а также тензометрических преобразователей, передаточно-множительный механизм может вообще отсутствовать, так как преобразователи этого типа обладают достаточной чувствительностью для непосредственного преобразования малого перемещения чувствительного элемента в электрический сигнал нужной величины. Однако при отсутствии передаточно-множительного механизма возникает проблема предохранения измерительной системы от влияния инерционных сил, действующих вдоль оси чувствительного элемента при полете с ускорением или при наличии вибрации. Компенсация погрешностей, вызываемых влиянием инерционных сил, возможна следующими способами:
Рис.10.Схемы компенсации погрешностей от инерционных сил
а) уравновешиванием инерционной массы подвижных частей упругого элемента и преобразователя с помощью противовеса, присоединенного через вспомогательную кривошипно-шатунную передачу, которая может не участвовать в функциональных преобразованиях, а выполнять лишь роль носителя противовеса (рис. 10,а);
б) встречным соединением двух чувствительных элементов через двойную кривошипно-шатунную передачу так, чтобы моменты инерционных сил взаимно уравновешивались, а моменты полезных сил (сил давления) суммировались (см. рис.10,6);
в) применением двух механически не связанных между собой чувствительных элементов с электрическими преобразователями, так соединенными, чтобы их электрические сигналы от действия инерционных сил взаимно компенсировались, а сигналы от действия сил давления суммировались (см. рис. 10, в).
Рис.11. Кинематическая схема пружинного датчика давления с потенциометрическим преобразователем:
1 мембрана; 2 герметичный корпус; 3 шток; 4 потенциометр; 5 щетки потенциометра; 6 штепсельный разъем; 7 щеткодержатель; 8 пластина; 9 ось; 10 токоподводящая пружина; 11 рычаг; 12 штуцер
Кинематическая схема унифицированного датчика с мембранным чувствительным элементом, синусным передаточно-множительным механизмом и потенциометрическим выходным преобразователем изображена на рис.11. Диапазон измерения может изменяться в пределах от 0—1 до 0—100 ат и более. Стандартность конструкции механизма датчика обеспечивается тем, что при переходе от одного диапазона к другому изменяют только толщину мембраны, которая так подбирается, чтобы при любом диапазоне измерения ее прогиб был одинаковым (порядка 1 мм).
Вариант конструкции унифицированного датчика давления с индуктивным преобразователем показан на рис. 12.
Датчики давления, выдающие электрический сигнал при достижении контролируемого давления заданного значения, называются, сигнализаторами давления. Конструкция унифицированного электромеханического сигнализатора давления с контактным преобразователем приведена на рис. 13.
3. Расчет характеристик пружинных манометров и датчиков давления
Рассмотрим методику расчета статических и динамических характеристик пружинных манометров и датчиков давления.
Рис.12. Конструкция датчика давления с индуктивным преобразователем:
1 корпус; 2 мембрана; 3 кольцо; 4 упор; 5 винт; 6 прокладка; 7 катушка; 8 вилка; 9 винт; 10 кожух; 11гайка; 12 пружина; 13 прокладка; 14 винт; 15 якорь; 16 крышка приемного узла; 17 шток; 18 контргайка
На рис.14 представлена структурная схема датчика абсолютного давления, отображающая процесс преобразования измеряемого давления р1в выходной электрический сигнал U. Звенья структурной схемы выполняют следующие функции.
Звено 1 преобразует измеряемое давление р1в давление p1; действующее в корпусе манометра; в этом звене учитывается запаздывание имеющее место при передаче давления по трубопроводу. Звено 2 преобразует давление р1в движущую силу Рдв; это звено отображает силовую характеристику чувствительного элемента. Звено 3 преобразует
Рис.13. Конструкция унифицированного сигнализатора давления:
1 трубопровод; 2, 26 втулки; 3, 19штуцера; 4 гайка; 5 основание; 6, 9, 20, 25 винты; 7 штепсельная вилка; 8 корпус; 10 провод; 11 наконечник; 12 центр; 13 упор; 14 кронштейн; 15 шток; 16 мембранная коробка; 17 прокладка; 18 заглушка с сеткой; 21 нижняя пружина; 22 верхняя пружина; 23, 24 контакты; 27, 28 кольца; 29 шпилька; 30 гайка; 31 платинка; 32 заглушка
силу Рдв в линейное перемещение S подвижной системы; это звено учитывает упругие и демпфирующие свойства и инерционные массы всех подвижных частей как чувствительного элемента, так и передаточно-множительного механизма. Звено 4 осуществляет преобразование линейного перемещения S в угловое перемещение ; звено 4 отображает уравнение кинематики передаточно-множительного механизма. Звено 5 (потенциометр, индуктивный преобразователь и т. п.) преобразует угловое перемещение в электрическую величину Z.
При расчете статической характеристики манометра структурную схему можно упростить, поскольку для установившегося режима измерения