УДК 621.3.083.8.551.54
ПУЛЬСАТОР ПЕРЕМЕННОГО ДАВЛЕНИЯ PULSER OF ALTERNATING PRESSURE
Казарян Акоп Айрапетович
д-р техн. наук, вед. научн. сотрудник E-mail: mirionkov@inbox.ru
Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н. Е. Жуковского, г. Жуковский
Аннотация: Предложено для калибровки датчиков оснащать существующие вибростенды съемным пульсатором переменного давления. Пульсатор давления смонтирован соосно с осью колебания вибростенда и содержит сильфон, калибруемый и эталонный датчики.
Ключевые слова: пульсатор давления, усилители заряда, мощности, напряжения, магнитное поле, ток катушки, сигнал вибрации.
ВВЕДЕНИЕ
Для исследования акустических явлений возникает необходимость в изучении и создании датчиков динамических измерений, т. е. датчиков переменного (пульсации) давления и датчиков вибрации (акселерометров). Давление и вибрация как физические величины характеризуют многие процессы и определяют режимы работы объектов исследования. Измерение параметров давления и вибрации являются одним из сложных разделов измерительной техники [1, 2]. Специфика измерительного эксперимента связана со сложностью калибровки датчиков в динамическом режиме, особенностями регистрации и обработки информации, дороговизной средств калибровки и т. д.
Проблема разработки съемного пульсатора с периодически меняющимся давлением на базе вибростенда связана с необходимостью калибровки измерительной информационной системы, содержащей акселерометры, тонкопленочные и объемные датчики пульсаций давления.
Принцип построения пульсатора давления и вибрации основан на использовании взаимодействия двух физических величин внутри вибростенда — тока подвижной катушки и поля постоянного магнита, которые создают толкающую силу. Эта сила с помощью вибростенда передается в рабочую камеру, где вследствие изменения рабочего объема пульсирующего сильфона создается
Kazaryan Akop A.
D. Sc. (Tech.), Leading Researcher E-mail: mirionkov@inbox.ru
Central Aerohydrodynamic Institute n. a. Professor N.E. Zhukovsky, Zhukovsky sity
Abstract: Supply of existent vibration stands by demountable pulser of alternating pressure for calibration of sensors is suggested. The pressure pulser is mounted coaxially with oscillation axis of the vibration stand and contains sylphon, calibrated and standard sensors.
Keywords: pressure pulser, amplifiers of charge, power and voltage, magnetic field, coil current, vibration signal.
энергия рабочей среды в виде колебаний, т. е. пульсаций давления.
КОНСТРУКЦИЯ ПУЛЬСАТОРА ДАВЛЕНИЯ
Целью работы является расширение области применения датчиков пульсаций давления и вибрации и сокращение затрат в процессе их калибровки. Для достижения поставленной цели предлагается существующие вибростенды дополнительно оснащать периодически меняющимся пульсатором давления, и использовать в качестве средства калибровки датчиков переменного давления.
На рисунке показана конструкция пульсатора быстропеременного давления, вибростенд со схемой управления, измерения пульсаций давления и параметров вибрации [3].
Элементы конструкции устройства взаимодействуют следующим образом: на корпусе вибростенда 1 закреплена скоба 11, расстояние между винтами 4 с левой и правой сторон равно по длине 179 мм, по ширине 73 мм. Эти размеры характерны для возбудителя вибростенда типа ВЭДС-10А отечественного производства. Шпильку (ось) 5 к столу 2 вибростенда 1 крепят с помощью гайки 6.
Основание сильфона 7 и кольцо 9 между собой соединены сильфоном 8 и скреплены герметичным конструкционным клеем на основе эпоксидной смолы К. Съемный стакан 14 помещают внутри сильфона 8, где образуется рабочая камера
Конструкция пульсатора давления со схемой калибровки датчиков и управления вибростенда:
1 — вибростенд; 2 — стол; 3, 4, 10 — винты; 5 — шпилька; 6 — гайка; 7 — основание (подвижный торец); 8 — сильфон; 9 — кольцо; 11 — скоба; 12 — съемный держатель; 13 — два крепежа; 14 — съемный стакан; 15 — резиновое кольцо; 16 — калибруемый датчик; 17 — эталонный датчик; 18 — возбудитель вибростенда; 19 — схема подмагничивания; 20 — усилитель мощности; 21 — генератор синусоидальных колебаний; 22 — аппаратура низкой частоты; 23 — согласующий усилитель заряда; 24 — нормирующий усилитель; 25 — вольтметр; 26 — осциллограф
пульсаций давления. Внутри стакана 14 смонтирован эталонный датчик 17 заподлицо со стаканом.
Калибруемый (испытуемый) пленочный датчик пульсаций давления 16 наклеен на наружную поверхность стакана. Конструкция датчика приводится в [3]. Герметичность и регулирование объема рабочей камеры (внутри сильфона 8) обеспечивает резиновое кольцо 15. Оно может быть разной толщины (от 1 до 5 мм). Неподвижность (статическое состояние) съемного стакана обеспечена съемным держателем 12 с двумя крепежами 13. Пазы (усики) съемного держателя 12 входят между крепежами 13 и поверхностью скобы 11. Крепеж 13 на поверхности скобы 11 закреплен клеем К или сваркой. Материал скобы и крепежа — сталь. Основание сильфона 7 съемного стакана и съемного держателя изготовлено из дюралюминия.
В состав вибростенда входят электродинамический возбудитель 18, который содержит генератор синусоидальных колебаний 21, схема подмагничивания 19, усилитель мощности 20, которые являются блоками управления стенда вибрации
[3]. Схемы соединения блоков вибростенда и измерения давления между собой показаны на рисунке.
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ПУЛЬСАТОРА БЫСТРОПЕРЕМЕННОГО ДАВЛЕНИЯ
Основным элементом устройства является рабочая камера, состоящая из сильфона 8 и съемного стакана 14. Пульсации давления в камере создаются за счет изменения объема в результате перемещения нижнего торца сильфона, показанного на рисунке стрелками. Величина давления в рабочей камере, т. е. внутри сильфона, зависит от смещения подвижного торца сильфона и совпадает с перемещением стола 2 вибростенда и с вертикальной осью 5. Предполагается, что процесс, проходящий в сильфоне, адиабатичный.
С противоположной стороны на рабочую камеру сильфона 8 через стол 2 вибростенда действует переменное магнитное поле. Магнитное поле создается генератором синусоидальных колебаний 21 и усиливается в усилителе мощности 20. Электромагниты, находящиеся внутри вибростенда, возбуждаются с помощью схемы подмагничи-вания 19 и усилителя мощности 20. Блок управления решает задачу снижения и фильтрации низкочастотных шумов.
Ток подвижной катушки внутри вибростенда электромагнитного типа взаимодействует с постоянным магнитным полем и создает толкающую силу. Схема подмагничивания 19 питает стабилизированным постоянным током катушку подмаг-ничивания внутри вибростенда.
Величина толкающей силы определяется по формуле Г = 0,102-10 бВ/тЬ [кГс], где В — индукция в воздушном зазоре, в гауссах; 1т — сила тока в подвижной катушке, в амперах (амплитудное значение); Ь — длина проводника подвижной катушки в сантиметрах. Если по обмотке подвижной катушки пропускают синусоидальный ток, то колебание стола вибростенда тоже будет синусоидальным. При движении стола вибростенда по оси рабочий объем сильфона увеличивается или уменьшается.
С изменением рабочего объема в камере давление изменяется на некоторую величину. Значение этого давления приблизительно можно определить по закону Бойля-Мариотта как: р^ VI = р2 где р1, VI — давление и объем в начальный момент времени; р2, V2 — давление и объем после дефор-
Датчики и Системы • № 4.2015 - 46
мации сильфона. Давление при деформации силь-фона равно: р2 = р\ + Ар, тогда амплитуда (размах)
(V, - V2)
колебаний определяется как Ар = ———p\. При
( V2)
непрерывной деформации сильфона в рабочем объеме (объеме внутри сильфона) давление изменяется от pi до pi + Api по синусоидальному закону. Это давление воздействует одновременно на эталонный и испытуемый датчики с частотой деформаций сильфона.
ПРИНЦИП КАЛИБРОВКИ ДАТЧИКОВ ПУЛЬСАЦИЙ ДАВЛЕНИЯ
При воздействии вибрации на вибростенд через электродинамический возбудитель 18 стол 2 с сильфоном 8 также колеблется. Колебание стола 2 через ось 5 и основание 7 передается сильфо-ну 8. Вследствие деформации сильфона 8 в рабочей камере давления возникают пульсации давления, например, синусоидальной формы размахом Ар. В результате воздействия давления Ар на эталонный 17 и испытуемый 16 датчики мембраны этих датчиков деформируются, и на их выходе возникает электрический сигнал. После усиления, нормирования в аппаратуре низкой частоты 22 определяют давление в рабочей камере по формуле: р = U/S [мВ/(мВ/Па)], где S — заранее известное значение коэффициента преобразования эталонного датчика пульсаций давления 17; ивых — напряжение на выходе аппаратуры низкой частоты 22. Одновременно сигнал с выхода емкостного датчика 16, проходящий через согласующий 23 и нормирующий 24 усилители, измеряется вольтметром 25 и осциллографом 26, в результате определяют коэффициент преобразования S испытуемого пленочного датчика давления 16: S = U/p.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Для проведения экспериментальных исследований с целью разработки пульсатора быстропе-ременного давления был выбран вибрационный электродинамический стенд ВЭДС-10А. В качестве формирователя пульсаций давления был взят бесшовный тонкостенный (толщиной 0,3 мм) гофрированный сильфон. Число гофров 9, материал
4 2
Бр, модуль упругости 1,35-10 кгс/мм . Особенностью сильфона является постоянство эффективной площади на рабочем участке характеристики. Эффективную площадь сильфона определяют по формуле: S^ = пRp, где средний радиус
сильфона Яср = (Яв + Лн)/2, Яв, Ян — соответственно внутренний и наружный диаметры сильфона. Изменение объема внутри полости силь-фона вычисляется в соответствии с выражением АУ = Sэфl.
При макетировании экспериментального образца устройства были использованы эталонный полупроводниковый датчик типа РЭСК-22 фирмы DR.UK (Великобритания) с коэффициентом преобразования 0,7 мВ/Па. Аппаратура низкой частоты 4АНЧ-22 с коэффициентом усиления 667. Напряжение питания моста 5 В. Сигналы с выхода испытуемого пленочного датчика были усилены и согласованы согласующим усилителем заряда. Напряжение поляризации датчика 100 В. К
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.