Файл: Бошняк, Л. Л. Измерения при теплотехнических исследованиях.pdf

Технические характеристики измерительных преобразователей перемещения и теоретические основы их построения подробно рас­ смотрены в [3]. Для измерения средних перемещений, наиболее характерных для исследования механизмов, применяются контакт­ ные устройства, реостатные преобразователи, холловские, электро­ литические, акустические, индуктивные, трансформаторные и мно­ гие др. Рассмотрим действие наиболее универсальных из них.

Датчик линейных перемещений, разработанный Институтом ма­ шиноведения предназначен для динамических исследований машин и механизмов при максимальных скоростях перемещения 5—8 м/с. Действие датчика основано на преобразовании линейного переме­ щения (до 40 мм) в изменение омического сопротивления проволо-

Рис. 65. Схема следящего винтового тран­ перемещений ИМАШ [3]: сформаторного измерителя перемещений:

чных реохордов путем изменения положения контактных щеток. Два реохорда (рис. 64), Натянутые пружинами, включены совместно -с постоянными сопротивлениями в мостовую схему. Движение элемента объекта передается с помощью штока щеткам, скользя­ щим по реохордам. Притоке питания 150 мА чувствительность дат­ чика постоянна и составляет 2 мА/мм, основная погрешность равна 1,5% от измеряемой величины.

Просты в изготовлении и отличаются высокой точностью винто­ вые трансформаторные датчики. Их основными элементами (см. рис. 65) являются изоляционный стержень с двухзаходной нарез­ кой и втулка, свободно охватывающая его. В нарезку стержня уло­ жены проводники, образующие бифилярную обмотку; на внутрен­ ней поверхности втулки имеется аналогичная обмотка. При подаче на обмотку стержня переменного тока повышенной частоты в про­ водниках втулки наводится э. д. с. При смещении втулки вдоль стержня фаза наводимой э. д. с. меняется. Для изменения фазы на 180° достаточно смещения на 0,5 шага нарезки. Возможность сведения напряжения на обмотке втулки к нулю за счет поворота относительно оси стержня используется для преобразования угла поворота винтового стержня в поступательное движение втулки, как это изображено на рисунке. В такой системе движение втулке передается от ходового винта, который приводится в действие элек­ тродвигателем питающимся от напряжения в обмотке втулки. Как

228

видно из рисунка, получается своеобразная винтовая передача, охваченная цепью обратной связи. Здесь в отличие от механиче­ ской пары винт—гайка отсутствуют трение и износ и достигается

Для дистанционного измерения угловых перемещений чаще всего используются реостатные и трансформаторные преобразова­ тели. Простейший вращающийся трансформатор имеет две обмотки —

В)

Рис. 66. Схемы машинных трансформаторных преобразова­ телей: а — линейный вращающийся трансформатор; б — син­ хронная передача угла поворота с помощью сельсина; в — то же с помощью магнесина

по одной на роторе и статоре. При подключении одной из них к сети переменного тока с другой может быть снято выходное напряжение, зависящее от угла поворота ротора ф

^ в ь , х = ^ х ^ 5 1 П ф ,

WBK

где пувых и щвх — число витков выходной и входной обмоток соот­ ветственно. При отборе мощности с выходной обмотки (нагрузка последующими звеньями измерительной цепи) синусоидальная за­ висимость искажается. Для устранения этого явления на роторе и статоре размещаются не по одной, а по две обмотки, сдвинутые относительно друг друга на 90°. Применяя соответствующее взаимное соединение обмоток (рис. 66, а), можно получить линейную характе­ ристику

^ в ы х = &Ф

в пределах угла ±60° с точностью до ±0,75%. Такое устройство называется линейным вращающимся трансформатором.

229

Разновидностью трансформаторных преобразователей электромашинного исполнения являются сельсины, имеющие две обмотки: однофазную (обмотка возбуждения) и трехфазную (обмотка синхро­ низации). Сельсин, ротор которого жестко связан с поворачиваю­ щейся деталью, работает как трансформаторный преобразователь, выходным сигналом которого служит (в зависимости от схемы вклю­ чения) либо амплитуда, либо фаза синусоидального напряжения. Однако чаще всего в измерительных схемах используются два сель­ сина, один связан с деталью объекта, а другой несет стрелку указа­ теля угла поворота. Такая схема синхронной передачи угла пово­ рота изображена на рис. 66, б. При рассогласовании углов срх =j=ср2 в цепи вторичных обмоток возникают уравнительные токи и к ро­ торам оказываются приложены вращающие моменты М, стремя­ щиеся установить роторы в согласованные положения:

М = Ш%х (фа — ф2).

Различные схемы и конструкции сельсинов позволяют получать сигналы, напряжение которых пропорционально сумме или раз­ ности двух, трех и более углов.

Наряду с сельсинами для синхронной передачи угла поворота находят применение магнесины, принцип действия которых основан на использовании нелинейности характеристики намагничивания ферромагнитных материалов. Магнесин имеет ротор в виде постоян­ ного магнита и тороидальный статор с распределенной обмоткой, питаемой переменным током. При соединении двух магнесинов по схеме, приведенной на рис. 66, в, осуществляется синхронизация положений роторов за счет уравнительного тока в соединяющих проводах при фх =/= ф2. Устанавливающие моменты в магнесинах, меньше, чем в сельсинах. Основным достоинством магнесинов яв­ ляется отсутствие обмоток на роторах, что позволяет располагать роторы в труднодоступных и герметичных относительно статора местах.

2. Измерение уровней жидкостей и сыпучих материалов

Измерение положения уровня жидкостей — специальный и под­ час весьма сложный случай измерения больших перемещений. Необходимость в измерении уровней возникает при заправке и хранении в емкостях жидких рабочих тел теплотехнических сис­ тем. В этих условиях изменение уровня обычно происходит мед­ ленно, жидкость не испытывает значительных возмущений, поверх­ ность жидкости спокойна и горизонтальна; изменения температуры, влияющие на объемное расширение жидкости в сосуде, также про­ исходит медленно.

Во время проведения эксперимента, связанного с потреблением жидкости из сосуда, измерение уровня необходимо для контроля темпа и полноты опорожнения. Условия изменения уровня в этих случаях не соответствуют статическому режиму измерений, поверх­ ность жидкости возмущена, понятия об уровне как о плоскости не

230

существует, а требования к точности определения количества жидкости или к скорости опорожнения остаются высокими. Харак­ тер возмущений поверхности зависит от условий опорожнения. Если неподвижная емкость сообщается с атмосферой и истечение происходит самотеком, то поверхность жидкости относительно спо­ койна, только у стенок уровень искажается за счет сил поверхност­ ного натяжения, а против горловины, через которую происходит истечение, образуется воронка. Причинами образования воронки являются повышение скорости движения жидкости у входа в слив­ ное отверстие по сравнению со скоростями на периферии, а также неравномерность скоростей движения жидкости вдоль оси сосуда, вследствие чего жидкость приобретает вращательное движение вок­ руг оси отверстия, способствующее более интенсивному воронкообразованию.

Применение газовых вытеснительных схем опорожнения (когда жидкость движется к сливному отверстию под давлением газа, непрерывно поступающего в сосуд) является причиной еще больших возмущений поверхности. Какие бы ни применялись конструкции вводных газовых устройств, скорость распространения газа по сво­ бодному объему сосуда переменна и в некоторой части объема пре­ вышает скорость движения уровня жидкости. Взаимодействие га­ зовых струй и жидкости вызывает перемешивание, может способ­ ствовать образованию воронки и развитию волн на поверхности жидкости. При использовании сжиженных газов у стенок сосудов и по поверхности возможно вскипание, что еще больше искажает уровень.

В исследовательской практике часты случаи проведения испыта­ ний на подвижных, вибрирующих и резко маневрирующих объек­ тах. При этом возникают не только дополнительные колебания по­ верхности жидкости и перемешивание с газом, но возможен и отлив жидкости от сливных отверстий, общий поворот и существенные искажения формы поверхности жидкости. В таких условиях само понятие об уровне жидкости делается неопределенным и подменяется понятием о наименьшем (или наибольшем) мгновенном значении уровня.

Для выравнивания поверхности жидкости в различных условиях применяются разные по конструкции успокоители (плавающие гасители колебаний, перегородки, воронкогасители, заборные и вводные патрубки и т. п.), однако все они не обеспечивают идеаль­ ной поверхности уровня. Следует отметить, что в условиях лабо­ раторных исследований в двух случаях можно обеспечить наиме­ нее возмущенное состояние поверхности жидкости: при использо­ вании поршневых систем опорожнения емкости и при движении уровня внутри трубки относительно небольшого диаметра (10—• 50 мм). В первом случае задача измерения параметров движения уровня сводится к определению относительного положения двух твердых тел — поршня и сосуда (цилиндра); во втором при точных измерениях приходится считаться с поверхностным натяжением и скатыванием капель, прилипших к стенкам.

231

Наиболее точным измерителем уровня заполнения является указательная стеклянная трубка, причем, показания с нее могут сниматься не только визуально, но и дистанционно с помощью релейных устройств или непрерывного слежения за медленно ме­ няющимся уровнем. На рис. 67 приведена принципиальная схема следящего уровнемера. Здесь смещение уровня вызывает появление

сигнала на первичном преобразо­ вателе (фотоэлектрического, уль­ тразвукового, индуктивного или иного принципа действия), после уси­ ления сигнал подается на обмотку реверсивного двигателя Д, который приводит в действие механическую систему, перемещающую первичный преобразователь до тех пор, пока сигнал рассогласования не исчезнет. Указателем уровня служит либо стрелка, связанная с валом двига­ теля или с первичным преобразова­

где V — объем поплавка; S (х) — площадь сечения поплавка; х — глубина погружения в жидкость с большей плотностью. Для от­ крытой поверхности жидкости 1 > рх/р «.-О и если при этом сече­ ние поплавка постоянно, то

F Арх = g p S x .

Отсюда следует основной принцип построения поплавковых пре­ образователей уровнемеров: измерение силы FApx путем уравнове­ шивания ее известной силой. Если противодействующая уравно­ вешивающая сила создается только весом поплавка G, то

FАрх = G = const

232