Стенд для исследования разложения теплозащитного покрытия

Как уже указывалось, датчик прост по устройству, однако в этой простоте и состоит существенный его недостаток. Дело в том, что датчик этот – двуплечий, соединительные линии включены в плечо моста, и их сопротивление соизмеримо с изменением сопротивления соединительных линий во времени. Этого недостатка лишены так называемые четырехплечие датчики давления рис 6.2

 

рис.6.2.

Упругий элемент 1 датчика представляет собой цилиндрический стакан, на внутренней и наружной поверхности которого наклеены 4 тензометра. Тензометры изготовлены из константановой проволоки диаметром 20 мк, сопротивление каждого тензометра 700 +/- Ом. Тензометры представляют собой плечи моста Уитстона. Давление действует на мембрану 2, под действие давления цилиндр сжимается. Тензометры наклеены так, что два из них, включены в противоположные плечи моста, сжимаются под действием давления, а два других растягиваются. Герметичность датчика обеспечиваться заливкой его полости А компаундом, герметичностью заделки кабельной перемычки, сваркой мембраны с корпусом датчика.

Измерение давления данным типом преобразователей может производится в частотном диапазоне от 0 до 1500 Гц, однако. В основную погрешность тензорезисторного преобразователя входят следующие составляющие: уход нуля от нагрузки; нестабильность показаний; нелинейность и гистерезис градуировочной характеристик. Суммарная основная погрешность для рассмотренного типа преобразователей составляет около 0.8 %. Достоинством тензорезисторных преобразователей давления являются: стабильность градуировочной характеристики; малая виброчувствительность; достаточно высокая надежность при воздействии ударов; небольшие габариты. Недостатки – малая чувствительность, малый выходной сигнал (до 25 мА) и недостаточная точность измерения давления (> 2%).

 

 Индуктивная система измерения давления.

рис.6.3.

 

Широкое применение в  лабораториях наравне с тензометрической получила индуктивная система, состоящая из датчика давления и усилителя – преобразователя ИД-2И.

Рассмотрим только датчик давления. Конструкция датчика давления приведена на рис 6.3. Преобразователь давления в электрический сигнал состоит из двух катушек индуктивности, насаженных на общий сердечник и соединенных последовательно. Магнитная цепь катушек проходит через сердечник 1, воздушный зазор, мембрану и замыкается в корпусе датчика. Под действием давления мембрана прогибается, уменьшается воздушный зазор, и в связи с этим изменяется индуктивность и индуктивное сопротивление катушки 2. Вторая катушка 3 является компенсационной. Её индуктивное сопротивление изменяется при изменении температуры в полости датчика, при этом и в первой катушки изменится индуктивное сопротивление с тем же знаком и на ту же величину. Так как катушки включаются в смежные плечи измерительного моста, то при изменении температуры не возникает дополнительного сигнала в измерительной диагонали. Достоинство датчика является его высокая надежность, хорошо противостоит ударным нагрузкам и вибрациям. Недостатки это малый выходной сигнал и недостаточная точность.

 

Измерение давление пьезоэлектрическим методом. Принцип действия пьезоэлектрических первичных преобразователей заключается в использовании прямого пьезоэлектрического эффекта – электрической поляризации кристалла диэлектрика, вызванной механическим растяжением и сжатием последнего. Измерение медленно меняющегося давления этими преобразователями связано с большими погрешностями при утечки заряда из-за недостаточно высоких электроизоляционных свойств пьезокристаллов и изоляции обкладки. Преобразователи такого типа используются, в основном, для измерения пульсации давления. Положительные качества пьезоэлектрических преобразователей: высокая чувствительность, широкий диапазон рабочих частот, очень малые габариты. К недостаткам этих преобразователей относятся: зависимости чувствительности от температуры и емкости кабеля; виброчувствительность; недостаточная временная стабильность.

 

 Частотная система измерения давления.

При частотном методе измерения давления используются измерительные  преобразователи, выходной величиной  которых является частота выходного  сигнала. Такие преобразователи  называют частотными. Из числа частотных изменений наибольшее распространение получили преобразователи, основанные на изменение частоты собственных колебаний струны или пластины измеряемого давления. Основными достоинствами частотных преобразователей является: высокая точность измерений; малое влияние на результаты измерений измерительных линий. К недостатком можно отнести чувствительность к вибрациям и к температуре.

В качестве датчика давления возьмём частотный датчик, из-за существенно большей точности измерения  по сравнению с другими типами преобразователей и с учетом того, что испытания проводятся в лабораторных условиях, при отсутствии вибрации и постоянной температуре. В таких датчиках механическая величина преобразуется в частоту электрического тока. Дальнейшее преобразование регистрация сигнала частотного датчика производится практически без ошибки.

Принцип действия датчика  основан на зависимости частоты  свободных колебаний струны от напряжения струны:

где - плотность материала струны;

      - напряжение в струне;

      fo – частота собственных колебаний в струне;

      L – длина струны.

 

Кинематическая схема датчика давления предоставлена на рис 6.4.

          рис.6.4.

Под действием давления прогибается  мембрана 1, расходятся бобышки 2 и натягивается струна 3. все эти элементы выполнены без механических соединений и представляют единую деталь, изготовленную из пружиной стали с соответствующей термообработкой и искусственным старением. Для того чтобы возбудить механические колебания струны и преобразовать их в колебания электрического тока, в датчике с обеих сторон струны установлены две катушки индуктивности. Катушка 4 включена на вход усилителя, а катушка 5 подключена параллельно его выходу. Усилитель 6 монтируется в корпусе датчика.

При подаче питания на усилитель  за счет переходных процессов в его  элементах на выходе усилителя появляется импульс тока. При прохождении  его через катушку 5 возникает  переменное электрическое поле и  магнитная струна начинает колебаться. В катушке индуктивности 4 будет наводится переменный электрический ток, который усиливает и поступает в катушку 5. в результате через очень малый промежуток времени система, состоящая из струны, двух катушек индуктивности и усилителя, придет автоколебательный режим. Эта система предоставляет собой генератор камертонного типа, характеризующийся высокой добротностью. Частота тока на выходе датчика равна частоте свободных колебаний струны. Она увеличивается с увеличением давления в полости датчика.

Мы будем использовать струнный датчик ЛХ 2702-160 для статических и медленноменяющихся процессов. Его характеристики:

- диапазон измерения  давления - 0 – 16МПа;

- коэффициент чувствительности  20,8 +/- 4,16 кПа/Гц;

- начальная частота – 6000 Гц, частота при давлении 10МПа – 7800Гц;

- класс точности – погрешность  меньше +/-0,25%;

• питание 12 вольт, постоянный ток;
• габариты – диаметр 80мм, длина 180мм;
• условия эксплуатации –50 +50 ^оС;
• предельное давление 150% номинального;
• допустимые вибрации до 800Гц.

В задачу частотного преобразователя входит возбуждение колебаний струны (передачи её энергии) и получение выходного сигнала.

Структурные схемы преобразователей.

1.Частотный преобразователь с резонатором, работающим в режиме свободных колебаний.

Рис. 6.5

Х_физ – измеряемая величина, преобразуется упругий элемент в деформацию, от которого зависит частота собственных колебаний механического резонатора (струны).

Колебания в резонаторе возбуждаются с помощью возбудителя, на вход которого подается импульс  запроса от измерительного устройства. Энергия механических колебаний  резонатора преобразуется в электрическую  энергию с помощью электромагнитного  или индуктивного преобразователя – приемника. Сигнал с выхода приемника в виде затухающих колебаний усиливается и поступает на выход частотного преобразователя.

Возбудитель

Пример – электромагнитный поляризованный возбудитель.

Возбуждение колебаний  электромагнитным принципом: взаимодействие струны из ферромагнитной стали с переменным магнитным потоком, создаваемый электромагнитным возбудителем. Этот метод трудно выполнить из-за сложности изоляции струны от упругого элемента.

Рис. 6.6

1 – струна

2 – постоянный магнит

3 – катушка электромагнитная

4 – магнитопровод

 

Зазор между возбудителем и струной очень мал δ < 1мм. При прохождении электрического импульса запроса по катушке магнитное поле увеличивается и струна притягивается к магниту. По окончания запроса струна запроса струна начинает колебаться с частотой собственных колебаний.

Приемник – такой же электромагнитное устройство, но работает в обратном режиме. Колебание струны – изменение δ, появляется переменное с определенной частотой магнитное поле, наводится ЭДС определенной частоты.

2. Частотный преобразователь  с резонатором, работающим в  автоколебательном 

Рис. 6.7

Резонатор получает энергию  от возбудителя, на вход которого поступает  сигнал с выхода усилителя. Вход усилителя в свою очередь связан с выходом приемника, преобразующего колебания того же резонатора.

Из теории, такой автоколебательной  замкнутой системы следует, что  самовозбуждение колебаний возможно, если:

- коэффициент передачи (коэффициент усиления) должен быть >1;

- суммарный фазовый  сдвиг всех звеньев должен  быть равен нулю или целому  числу периодов колебаний.

Поэтому автоколебательный  режим возможен при использовании  усилителя с фазовым сдвигом, близким нулю, и с достаточным  большим коэффициентом усиления, в этом случае самовозбуждение пройдет точно на частоте собственных колебаний.

Достоинство – простота реализации и непрерывность преобразования;

                       - сигнал на выходе большой  амплитуды, а не затухающий;

                       - высокая точность;

                       - малое влияние на результаты  измерений измерительной линии.

Недостатки – ограничения  для измерения быстроменяющихся давлений;

                       - чувствительность к вибрациям;

                       - большие габариты.

Погрешность измерения  самого датчика:

- погрешность преобразования  измеряемой величины в промежуточную  величину – деформацию струны. (жесткость струны должно быть  много меньше жесткости струны  и т.д.)

- зависимость частоты  струны от различных факторов (от температуры, характера заделки струны и т.д.)

- несоответствие колебаний  в резонаторе, собственной частоты  струны в  автоколебательном  режиме.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Термоэлектрические преобразователи. [8]

 

Средства измерения  температуры контактным методом включают в себя измерительные преобразователи, к которым подводится среда, температура которой измеряется.

Наиболее  распространенными средствами измерений  являются термоэлектрические преобразователи и термопреобразователи сопротивления.

Действие термоэлектрического преобразователя основано на использовании зависимости термоэлектродвижущей силы термопары (термометрического чувствительного элемента) от температуры.

Термоэлектрические  преобразователи позволяют измерять температуру от — 200 до +2500°С. Они бывают следующих типов:

ТВР — термопреобразователь вольфрам-рениевый; ТПР — термопреобразователь платинородиевый; ТПП — термопреобразователь платинородий-платиновый; ТХА — термопреобразователь хромель-копелевый.

Термоэлектрические  преобразователи типов ТПР, ТПП, ТХА, работающие при высоких температурах, не всегда могут обеспечить стабильность измерения из-за исключительной подвижности и активности атомов любых элементов при высоких температурах.

В этих условиях происходит химическое взаимодействие материалов термоэлектродов с окружающей средой. Поэтому практически невозможно создать универсальные термоэлектрические преобразователи, которые были бы одинаково стойкими в окислительных, восстановительных, науглероживающих и других газовых средах.

Для защиты термоэлектродов от вредного воздействия окружающей среды при высоких температурах применяют газонепроницаемую, стальную, металлокерамическую и керамическую защитную арматуру.

Для этой цели в промышленных системах измерения  температуры дополнительно применяют поддув азота в защитную арматуру термоэлектрического преобразователя.

Термоэлектрические преобразователи платинородий-платиновые надежно работают в нейтральной и окислительной средах, но неприменимы в восстановигелыюй атмосфере, особенно в присутствии окислов металла и кремнезема. Вредно действуют на платину пары металла и углерод (особенно окись углерода). Науглероживание пластины приводит к изменению термо-ЭДС термопары и придает хрупкость ее электродам.

Термоэлектрические  преобразователи из хромель-алюмеля  хорошо работают в восстановительной и нейтральной средах. В окислительной среде на поверхности электродов образуется окисная пленка, в результате чего снижается термо-ЭДС.