Частотные преобразователи давления

В частотных преобразователях давления изменение измеряемого давления (или разности давлений) вызывает изменение частоты колебаний ЧЭ, в качестве которых используются натянутая струна, тонкостенный цилиндрический резонатор и тому подобные элементы. Изменение частоты колебаний ЧЭ приводит к изменению частоты выходного сигнала преобразователя. Частотные преобразователи обладают преимуществом перед рассмотренными выше электромеханическими преобразователями давления, потому что частота сигнала практически не изменяется при его усилении и передаче по линиям связи от преобразователя к потребителям или соответствующим указателям. Данный способ преобразования положен в основу работы генераторных датчиков давления типа ДДГ, которые, в частности, используются в цифровых системах воздушных сигналов, предназначенных для измерения высотно-скоростных параметров полета и выдачи результатов измерения потребителям.

Принцип действия струнного преобразователя поясняется схемой, представленной на рис. 2.4, а. В нем имеется струна 1, которая крепится одним концом к жесткому центру 2 мембраны 3, а другим концом – к неподвижному зажиму 5. С помощью специального электромагнитного возбудителя 4, представляющего собой электромагнит, возбуждаются механические колебания струны, частота f которых зависит от силы натяжения струны F:

где n_г – номер гармоники; l – длина струны; m – масса единицы длины струны; σ – напряжение в струне; ρ – плотность материала струны.

Измеряемое давление вызывает прогиб мембраны, изменение силы натяжения струны и, соответственно, частоты ее колебаний. Специальный датчик (на рисунке не показан) преобразует механические колебания в электрический сигнал, который через фазосдвигатель поступает на возбудитель колебаний. Тем самым реализуется автоколебательный режим, при котором частота автоколебаний совпадает с частотой собственных колебаний. Возможно также использование режима затухающих колебаний, которые возбуждаются однократным электрическим импульсом, поступающим на вход возбудителя.

Рис. 2.4. Частотные преобразователи давления:

а – с ЧЭ в виде струны; б – с ЧЭ в виде тонкостенного цилиндра; в – схема деформаций сечения тонкостенного цилиндра

Принцип действия частотного преобразователя с тонкостенным цилиндрическим резонатором поясняется схемой, представленной на рис. 2.4, б и в. В нем чувствительным элементом является упругая цилиндрическая трубка 1, разделяющая внутренний объем корпуса 4 на две герметичные полости П₁ и П₂. В полость П₁ подается давление р₁, а в полость П₂ – давление р₂. При этом на трубку 1 действует разность давлений р_и = р₁ – р₂. Для возбуждения колебаний трубки используется электромагнит 3, силы притяжения которого деформируют трубку в поперечном направлении (см. рис. 2.4, в). При подаче в обмотку электромагнита электрического тока круглое поперечное сечение А₀ преобразуется в сечение А₁ овальной формы, а после отключения тока – в сечение А₂ и обратно. При этом возникают поперечные колебания цилиндра, частота которых зависит от действующего на трубку избыточного давления р_и:

где f₀ – частота колебаний при р_и = 0.

Частота колебаний трубки измеряется с помощью индуктивного преобразователя 2, сердечник которого повернут на 90° по отношению к сердечнику электромагнита 3.

В настоящее время в авиации начинают активно использоваться микромеханические вибрационно-частотные датчики давления, изготовленные на кристалле кремния, в которых прогиб кремниевой мембраны вызывает изменение частоты колебаний резонатора. Достоинством таких датчиков давления является отсутствие гистерезиса ЧЭ и низкий коэффициент внутреннего трения, что позволяет получить высокую добротность колебательной системы. Датчики такого типа обладают отличными метрологическими характеристиками и массо-габаритными параметрами.

Измерители температуры

Общие сведения о термометрах и особенности измерения

Температуры газового потока

Приборы, предназначенные для измерения температуры, называются термометрами. Они применяются на воздушных судах для получения информации о тепловых режимах работы двигателя, о работе системы терморегулирования и вентиляции, а также для определения температуры наружного воздуха и воздуха в различных отсеках воздушного судна. Диапазоны измерения температуры во всех этих случаях отличаются большим разнообразием. Например, при измерении температуры газов в газотурбинных двигателях – до 1500 °С, температуры масла – от –50 до 150 °С, температуры наружного воздуха – ±60 °С. Решить все эти задачи, используя один тип термометров невозможно.

По методу измерения температуры и принципу действия ЧЭ выделяют электрические термометры сопротивления, термоэлектрические термометры, термометры расширения (жидкостные, дилатометрические, биметаллические), пирометры. В термометрах сопротивления используется свойство металлов и полупроводников изменять свое сопротивление в зависимости от их температуры. Термоэлектрические термометры основаны на явлении возникновения термоЭДС при нагреве участка контакта двух разнородных проводников и зависимости величины термоЭДС от температуры контакта. В термометрах расширения используется зависимость от температуры удельного объема жидкости (жидкостные термометры) или твердого тела (дилатометрические термометры), а также изменение формы биметаллической пластины при изменении ее температуры. В пирометрах используется зависимость параметров теплового излучения нагретого тела от его температуры. Наиболее широкое применение в авиации нашли первые два типа термометров, два последних типа практически не применяются.

Процесс измерения температуры в общем случае предусматривает соприкосновение ЧЭ термометра с измеряемой средой. В результате возникающего теплообмена между средой и ЧЭ температура последнего приближается к температуре среды. При установившемся режиме температура ЧЭ, как правило, отличается от температуры среды, то есть измерение температуры всегда сопровождается систематической методической погрешностью, которая зависит от состояния среды и поверхности ЧЭ, от его конструкции и размеров, теплопроводности и теплоотдачи.

При измерении температуры газов, движущихся с большими скоростями, возникают погрешности, обусловленные торможением потока в зоне датчика и переходом при этом кинетической энергии газа в тепловую. В результате температура последнего будет выше статической температуры газа. На рис. 2.5 представлена зависимость избыточной температуры Δ Т от скорости набегающего потока газа. Из графика видно, что заметное отличие статической температуры от температуры, измеряемой термометром, помещенным в газовый поток, проявляется лишь при скоростях, превышающих 100 м/с.

Для уменьшения влияния скорости потока на результат измерения температуры стремятся или стабилизировать скорость газа, или существенно понизить ее в зоне расположения термочувствительного преобразователя.

В первом случае термочувствительный преобразователь R_T (никелевая проволока, намотанная на медный цилиндр) помещается в узкое сечение сопла Лаваля (рис. 2.6, а). При скорости полета самолета, соответствующей числу Маха М ≥ 0, 4, в узком сечении сопла устанавливается критический режим, при котором скорость течения воздуха примерно равна местной скорости звука в воздухе. Это дает возможность по измеренной температуре термочувствительного преобразователя Т_тп определить статическую температуру воздуха Т_с:

где N – коэффициент качества термопреобразователя, равный 0, 978.

Рис. 2.6. Приемники температуры газового потока:

а – с соплом Лаваля; б – с камерой торможения

В другом случае термочувствительный преобразователь (обычно термопара) помещается в камеру торможения (см. рис.2.6, б). Камера торможения представляет собой жаропрочный корпус 1, внутри которого с помощью термоизолятора 5 закреплена термопара 4. Корпус имеет одно отверстие малого диаметра и одно или два отверстия большого диаметра. Набегающий газовый поток входит в камеру через отверстие 2 большого диаметра, тормозится там, медленно обтекая термопару, и выдавливается через отверстие 3 малого диаметра.

По измеренной температуре термочувствительного преобразователя Т_тп можно определить статическую температуру воздуха Т_с:

где r – коэффициент торможения, равный 0, 92 – 0, 96 при соотношении площадей входного и выходного отверстий не менее 5.

Термометры сопротивления

Электрические термометры сопротивления применяют на воздушных судах для измерения температуры масла и воздуха внутри и снаружи кабины. Принцип действия этих термометров основан на зависимости сопротивления металлов и полупроводников от их температуры.

Для металлических проводников зависимость электрического сопротивления от температуры в небольшом диапазоне изменения температуры линейна и описывается выражением

где R₀ – сопротивление при температуре 0 °С; α – температурный коэффициент сопротивления (ТКС); Δ t – приращение температуры.

Основными металлами при изготовлении термометров сопротивления являются медь, никель, железо и платина, имеющие большое значение ТКС. Для меди ТКС равен 0, 004 К^-1, для железа и никеля значение ТКС равно 0, 006 К^-1. Важно при этом, чтобы металлы были чистые, так как наличие примесей приводит к снижению ТКС. Медные терморезисторы применяют для измерения температур до 150 °С, так как при более высоких температурах медь окисляется. Этот же недостаток присущ и железу. Поэтому в термометрах сопротивления наиболее широкое применение нашли ЧЭ из никелевой проволоки, позволяющие измерять температуру газов и жидкостей в диапазоне –70…+150 °С. Погрешность измерения таких термометров, как правило, не превышает ± 3 %. Для более точного измерения температуры в диапазоне до 1000 °С используют платиновые термометры сопротивления.

Для полупроводниковых терморезисторов характерна нелинейная зависимость сопротивления от температуры, описываемая выражением

где А и В – коэффициенты, зависящие от материала полупроводника и его геометрии.

У полупроводниковых терморезисторов ТКС отрицателен и существенно меняется с температурой. Так при температуре 20 °С он по абсолютной величине на порядок выше, чем у металлических терморезисторов. Пределы измерения у них обычно 0…+120 °С, погрешность при нормальных условиях в рабочем диапазоне не превышает ± 2 °С. Такие терморезисторы в основном используются в системах регулирования температуры.

В авиации нашли применение несколько типов термометров: термометры унифицированные электрические (ТУЭ) и индикаторы температуры (ИТ), в которых в качестве термочувствительных элементов используются металлические терморезисторы, а также термометры типа ТП с полупроводниковым термопреобразователем.

В комплект любого авиационного термометра кроме приемника температуры (термопреобразователя) входит также показывающий прибор (указатель). В качестве указателя обычно используются магнитоэлектрические логометры с неподвижными катушками и подвижным постоянным магнитом. Схема такого логометра аналогична той, что используется в электромеханических манометрах типа ЭДМУ и ДИМ (см. рис. 2.2).

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: