Mathematical Modelling" (eds. G. Osi-penko, Yu. Ivanov). St.Petersburg. 1999. Vol. 5.
7. Сизиков B.C., Белов И.А. Реконструкция смазанных и дефокусиро-ванных изоизображений методом регуляризации // Оптический журнал. 2000. Т. 67. № 4.
8. Тихонов А.Н., Гончарский А.В., Степанов В. В., Я гола А. Г. Численные методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1990.
9. Верлань А.Ф., Сизиков B.C. Интегральные уравнения: методы, алго-
ритмы, программы. Киев: Наукова Думка, 1986.
10. Арсенин В.Я., Загонов В. П., Трахони-омовская P.A. О численном решении интегральных уравнений первого рода типа свертки на неравномерных сетках. Препринт N° 141. М.: ИПМатем АН СССР, 1978.
11. Сизиков В. С. Анализ методов локальной регуляризации и формулировка метода субоптимальной фильтрации решения уравнений 1 рода // Журнал вычислительной математики, и математической физики. 1999. Т. 39. № 5.
Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном институте точной механики и оптики (техническом университете).
Илья Агександрович Белов — аспирант;
Павел Павлович Парамонов — канд. техн. наук, доц., д-р техн. наук;
Валерий Сергеевич Сизиков — д-р техн. наук, проф.
® (812) 233-59-52
E-mail: sizikov2000@mail.ru □
УДК 531.787:627.338
ПРИМЕНЕНИЕ ИНДУКТИВНЫХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ В ПРИБОРАХ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВОЛНЕНИЯ
Д.Г. Грязин, Ю.И. Сабо
Приводится обоснование целесообразности применения в волномерных буях индуктивных датчиков абсолютного давления. Предлагаются результаты метрологического исследования датчиков этого типа.
Измерение морского волнения является важной задачей для всех отраслей техники, связанных с морем. Приборы для измерения морского волнения используются в гидростроительстве, океанологии, морской геологии, судостроении, мореплавании, военно-морском флоте. Следует отметить, что на сегодняшний день известно значительное количество методов и средств измерения волнения моря. Однако наибольшее распространение получили волномерные буи (ВБ), обладающие такими преимуществами, как возможность их использования в открытом море без каких-либо специальных сооружений (свай, платформ и т. д.), их полная автономность, возможность передачи измерительной информации по радиоканалу, а также возможность измерения высот и периодов волн в широком диапазоне. Среди приборов этого класса наибольшее распространение получили ВБ с гидростатическими датчиками давления. Эти приборы состоят из плавающего на поверхности волны буя, к которому на кабель-тросе длинной
30...50 м прикреплена гондола с датчиком давления. Датчик измеряет гидростатическое давление, величина которого пропорциональна измеряемой высоте волны.
Режим функционирования датчиков давления в ВБ характеризуется рядом особенностей. Так, диапазон частот измеряемого процесса лежит ниже 1 Гц. Отличительной чертой работы датчика является необходимость выделения сравнительно малого полезного сигнала (0,01 ...1 кгс/см2) на фоне значительной статической составляющей (3...6 кгс/см2). Решение этой задачи может быть получено либо путем компенсации статического давления в случае применения дифференциального датчика, либо путем компенсации электрического сигнала, пропорционального этому давлению, при использовании датчика абсолютного давления. В последнем случае измерительный преобразователь должен иметь высокую чувствительность. Дифференциальный датчик давления использовался в широко известном серийно выпус-
кавшемся ВБтипа ГМ-16 [1]. В этом приборе в дифференциальной полости датчика с помощью воздуха создавалось избыточное давление, соответствующее глубине его установки за вычетом 10 м. Изменение давления воздуха, возникающее в результате воздействия температуры, не учитывалось. Это приводило к уходу нулевой линии от среднего положения на ленте самописца при записях волнограмм. Кроме того, компенсатор имел резиновый элемент, который с течением времени выходил из строя. Снятие этих приборов с производства и отсутствие запасных частей привели к списанию приборов.
Известны конструкции волнографов, в которых на дифференциальный вход датчика устанавливался клапан с сильфонным чувствительным элементом, блокировавшим его под воздействием заданного давления. Разблокирование же клапана производилось только после поднятия буя на борт судна. В этом случае мембрана подвергалась значительным нештатным нагрузкам, что сказывалось на ресурсе ее работы.
Рис. 1. Схема включения датчика ИДТ-8
Рис. 2. Схема проведения измерений характеристик датчиков
Таким образом, по разным причинам как в серийных, так и в не-стандартизованных средствах измерения волнения, датчики абсолютного давления индуктивного типа ранее не применялись. Представляется, что использование датчиков этого типа в волномерных буях имеет ряд преимуществ перед другими. Они не требуют дополнительного клапана, имеют высокую чувствительность и линейность характеристики. Мембраны индуктивных датчиков, выпускаемых авиационной промышленностью, рассчитаны для работы в агрессивных средах и т. д. Однако вопрос о применении этих датчиков может быть решен только после исследования их метрологических характеристик. С целью определения метрологических характеристик индуктивных датчиков абсолютного давления в режимах их функционирования в ВБ были проведены исследования датчиков типа ИДТ-8 и ИКД6Тда5.
Индуктивный датчик ИДТ-8 предназначен для измерения избыточного давления в жидких и газообразных средах при нормальной и повышенной температуре. Питание датчика осуществляется напряжени-
ем 40 В (500 Гц). Схема его включения представлена на рис. 1. Обмотки датчика подключены к согласующему трансформатору по мостовой измерительной схеме, в диагональ которой подается напряжение питания. Согласующие обмотки / и // трансформатора рассчитаны таким образом, что при отсутствии давления на мембране датчика напряжение на обмотке /// равно 0. Индуктивный узел датчика состоит из трехсекционного сердечника 1, на крайних секциях которого установлены катушки, а центральная связана штоком с мембраной 2. При изгибе мембраны под действием давления между центральной частью сердечника и крайними его частями изменяется магнитный зазор, что приводит к изменению величины магнитного потока в сердечнике и разбалансу моста. Таким образом, на выходной обмотке /// согласующего трансформатора появляется напряжение, пропорциональное измеряемому давлению.
Аналогичным образом работает и датчик ИКД6Тда5. Отличительной особенностью его конструкции является лишь то, что питание датчика производится напряжением 6 В,
а преобразователь переменного тока и выпрямитель расположены внутри корпуса датчика.
Для измерения статических и динамических характеристик в режимах функционирования датчиков, они подключались к устройству компенсации постоянной составляющей сигнала и усилителю (рис. 2). Представленное на рис. 2 устройство позволяет суммировать постоянный уровень сигнала от датчика с напряжением, соответствующим статическому давлению и имеющим обратную полярность. Выделенный таким образом полезный сигнал усиливался с помощью усилителя и подавался на регистратор.
На первом этапе исследований была определена статическая граду-ировочная характеристика датчиков при отключенном устройстве компенсации. Для проведения эксперимента датчики подсоединялись к грузопоршневому манометру типа МП-6 с классом точности задания давлений 0,05. При этом передача давления масла от манометра к датчику производилась с помощью трубопровода длиной 4 м. В качестве регистратора использовался цифровой вольтметр типа Щ1526 с классом точности 1,5. Особенностью использования грузопоршневого манометра является то, что задание давления на нем производится с помощью образцовых грузов с наименьшим шагом 0,1 кгс/см2. Результаты эксперимента показали, что величина градуировочного коэффициента в диапазоне давлений 3...5 кгс/см2 существенно не различается. Указанный диапазон давлений соответствует глубине постановки датчика 30...50 м. В качестве примера на рис. 3 показана граду-ировочная характеристика датчика ИКД6Тда5.
На втором этапе были исследованы статические градуировочные характеристики датчиков в диапазоне +0,5 кгс/см2 (что соответствует измерению волны высотой 10 м) при статическом давлении 3 и 4 кгс/см2. С целью определения температурного дрейфа измерения проводились при нормальной +20 и пониженной +2 °С температурах датчика. Указанные значения температур соответствуют предельным, встречающимся на глубинах 30...60 м в любое время года на всех акваториях предполагаемых измерений. Измерения проводились после предва-
рительной компенсации фонового давления с помощью компенсирующего устройства до величины остаточного нулевого напряжения менее 0,001 В. Сигнал датчика измерялся на диапазоне 50 В с разрядностью три знака после запятой. Для более точного определения значений погрешности датчиков задание каждого значения давлений и регистрация соответствующих напряжений проводились по пять раз.
Для определения нелинейности градуировочной характеристики был рассчитан средний градуиро-
вочный коэффициент Кгр_, полученный при каждом значении давления Р1 внутри диапазона по формуле
Рис. 3. Градуировочная характеристика датчика ИКД6Тда5
и, В
-- '
у
/ У
У
У
У У
У
4 р, КГ/СМ2
X ^гр/Р;)
Р = I- 1
1'Р,-
где п — число серий измерений (в данном случае пять).
Результаты расчетов показали, что значения Кгр_ для датчика ИКД6Тда5 с увеличением давления уменьшаются. Так, при рст =
= 3 кгс/см2 И Р; = ^0,5 кгс/см2 значение Кгр_ = 1,6595, а при р = = 0,5 кгс/см2 /¿ф = 1,4515. Значения Кгр_ для датчика ИДТ не имеют систематического изменения при уменьшении или увеличении давления.
Средний градуировочный коэффициент для обоих типов датчиков рассчитывался по формуле
Х^г
гр,-
К =1—1
лгр
т
где т — общее число измерений (в данном случае 50).
Оценка случайной составляющей погрешности градуировочного коэффициента выполнялась по формуле
А/ = К,
гр
к,
гр,- •
Значение среднего квадратиче-ского отклонения по
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.