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

безразмерный коэффициент преобразования — в соответствии с ме­ тодом его определения (п. 4, гл. III) получается в виде

Я1= fL2Y

а определяющий критерий я 2 равен

_ F

E L 2 '

Характерный размер L может быть определен различным образом. Например, из сравнения безразмерной формы (Х.З)

Рис. 120. Графики обобщенных статических характеристик струнных преобразователей

Физический смысл процессов, происходящих при изгибе струны во время колебаний приобретает большую ясность, если в качестве характерного размера использовать радиус инерции сечения струны, равный

представлено семейство обобщенных статических характеристик

«Отрицательное натяжение» означает, что при отсутствии изме­ ряемой силы струна провисает (зона нестабильности). Если при построении графика принимать характерный размер L b формуле (X. 4), то ордината обобщенной характеристики идеального преобразова­ теля равна единице, если же использовать выражение (Х.5), то орди­

ната в области автомодельности по щ равна //2 /]/S c . Из графика видно, что область использования струн ограничена с одной стороны

3,10

Границей зоны нестабильности, а С другой — пределом прочности струны. Иа крайних участках рабочей зоны характеристики нели­

линейны. Нормальный диапазон работы струнных преобразователей

колебания струны, которая в свою очередь зависит от трех факторов: постоянства внешних условий; стабильности упругих свойств мате­ риала струны и деформаций

где а, — температурный коэффициент линейного расширения; аЕ — температурный коэффициент модуля упругости материала струны. Для датчиков со струнами, работающими в режиме заданной длины, температурная погрешность определяется особенностями конструк­ ции [66] и грубо может оцениваться по формуле

удлинение струны, вызванное измеряемым усилием. В последнем случае погрешность может быть весьма значительной; например,

ках для компенсации этой погрешности вводится второй вибрирую­ щий элемент из того же материала, что и струна, не нагруженный из­ меряемым усилием. В конструкции вибрационного динамометра ДВ-5 (рис. 121) эту роль выполняет стержень 3 с системой возбуждения

311

и съема сигнала, аналогичной основной [3]. Электронная схема измерения сигнала динамометра обеспечивает получение выходной величины, пропорциональной отношению частот струны и стержня.

Влияние плотности окружающей среды на колебания струны сводится к изменению присоединенной массы среды, колеблющейся вместе со струной и уменьшающей ее частоту. Для круглой струны соответствующая погрешность составляет [66]

где рср — плотность среды. Ленточные струны, колеблющиеся в уз­ ких магнитных зазорах, имеют значительно большую присоединен­ ную массу; изменение частоты в этом случае равно

Так как плотность среды зависит от давления, то с целью исклю­ чения погрешности 6/р датчики герметизируются или вакуумируются.

Погрешности, вызванные нестабильностью упругих свойств ма­ териала струны и влиянием режима ее колебания, значительно меньше 6ft и 6/р и могут быть сведены до допустимого уровня кон­ структивными мерами [66, 141 ].

4, Силопередающие устройства

При исследованиях сложных теплотехнических объектов, таких как авиационные и ракетные двигатели или турбины и насосы, ком­ прессоры и прочие, измеряемые силы (тяги) или крутящие моменты не могут быть приложены непосредственно к входным элементам динамометров. В отдельных случаях возникает необходимость в из­ мерении силы или момента, направление действия которых заранее неизвестно. В наиболее сложной ситуации требуется одновременно измерять не только некоторые силы, направление равнодействую­ щей которых неизвестно, но и моменты этой равнодействующей и пар сил относительно заданных осей; при этом во время эксперимента величины и направления полной силы и момента могут изменяться. Непосредственное измерение сил и моментов достигается путем за­ крепления объекта исследования на специальной подвижной раме, снабженной различными механизмами, обеспечивающими измерение составляющих полной силы в направлении заданных осей и моментов относительно этих осей. Такие силопередающие устройства в авиа­ ционной и ракетной технике получили название силовых испыта­ тельных станков, а в экспериментальной газодинамике — аэродина­ мических весов. Основным характеризующим признаком силопере­ дающих систем является число измеряемых компонент; в зависимости от поставленной задачи это число может изменяться от одного до шести.

Силы и моменты, переданные подвижной раме от объекта, изме­ ряются путем определения реакций, требуемых для предотвращения

312

поступательных и вращательных перемещений объекта исследова­ ния. Эти реакции измеряются в соответствующих звеньях механизма разложения сил динамометрами или весовыми элементами. Система разложения сил чаще всего представляет собой многозвенные шар­ нирные механизмы. Конструкция шарниров должна обеспечивать минимальную работу, затрачиваемую на преодоление сил трения на измерительных перемещениях. В зависимости от устройства механизма разложения сил силопередающие механизмы бывают двух типов. В устройствах первого типа нагрузки, воспринимаемые одним или несколькими динамометрами, зависят от двух или более компо­ нент. Система разложения сил здесь сравнительно проста; нагрузки, приведенные к динамометрам, являются функцией сумм или раз­ ностей двух и более компонент. Для определения отдельных компо­ нент требуется произвести некоторые вычисления, что затрудняет наблюдение за проведением эксперимента. В устройствах второго типа каждый динамометр воспринимает нагрузку, пропорциональ­ ную лишь одной определенной компоненте. Эти устройства требуют применения более сложных механизмов разложения сил, но их пре­ имуществом является простота обработки результатов измерений и возможность непосредственного контроля за ходом эксперимента.

Общие условия, необходимые для независимого измерения каж­ дой из компонент одним динамометром, заключаются в том, что работа компоненты полной измеряемой силы и полного измеряемого момента на соответствующем перемещении объекта исследования должна быть равна работе силы, приложенной к динамометру на измерительном перемещении входного элемента последнего [43]. При отсутствии трения во всех кинематических парах и недеформируемости звеньев механизма разложения сил эти уравнения имеют вид:

ные угловые перемещения при повороте объекта относительно этих осей; Ах, . . ., ,ДМ2 — измерительные перемещения входных звеньев динамометров; Nx, . . ., NMZ— нагрузки на соответствующие дина­ мометры. Кинематически эти условия означают, что при малом по­ ступательном перемещении объекта параллельно какой-либо оси должно перемещаться вдоль своего направления лишь то звено, ко­ торое связывает силопередающую систему с динамометром, пред­ назначенным для измерения компоненты, действующей по направле­ нию данной оси. А при малом повороте объекта относительно какойлибо оси должно соответственно перемещаться лишь звено, связы­ вающее систему с динамометром для измерения момента относи­ тельно5данной оси, Таким образом, независимое измерение компо­

313

нент можно осуществить с помощью механизмов, обеспечивающих свободу поступательных перемещений объекта параллельно осям координат для измерения сил и свободу вращательных перемещений относительно осей координат для измерения моментов. Такие си­ стемы могут быть образованы из механизмов поступательного и вра­ щательного перемещений и комбинированных механизмов; число степеней свободы механизма должно быть равно числу измеряемых компонент.

Наиболее простыми механизмами для измерения горизонтально направленных сил являются параллелограммные четырехзвенники. На рис. 122, а приведена схема силопередающего устройства, вы-

Р и с . 122. С хем ы с и л о п е р ед а ю щ и х у стр о й ств д л я и зм е р е н и я г о р и зо н т а л ь н ы х си л Fx а — п а р а л л е л о гр а м м н ы й м ех ан и зм ; б — а н т и п а р а л л е л о г р а м м н а я п о д ве с к а ; в — п о д ве с к а п р и пом ощ и м ех а н и зм а Ч еб ы ш ев а

/ —объект исследований; 2 —жесткая рама; 3 —динамометр

полненного в виде параллелограммного механизма с верхней подвеской подвижной рамы. Такая схема широко применяется в тех случаях, когда шарниры представляют собой простые гибкие ленты, работающие лишь на растяжение. При малых перемещениях подвиж­ ной рамы усилие в стержне, соединенном с динамометром, равно горизонтальной силе Fx. Усилия в стержнях подвески и N 2 опре­ деляются вертикальной силой Fy (включающей силу веса конструк­ ции) и моментом М г в месте крепления объекта; для схемы, изобра­ женной на рисунке,

+ N 2 = Fy, N 2 (L — /) — N Ll + Nxb = M z.

При измерении горизонтальных сил необходимо обеспечить ма­ лую устойчивость механизма в направлении перемещения. В данном случае устойчивость характеризуется отношением малого прираще­ ния силы AFx к вызванному ею горизонтальному перемещению шар­ ниров подвижной рамы 6*. При отклонении рамы от равновесного положения устойчивость вызывается горизонтальными составляю'

314