ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

Эти датчики охватывают практически весь диапазон величин измеряемых давлений, работают длительно при температуре окружающей среды до 200⁰С с погрешностью 5%, имеют малые габаритные размеры и массу ( 200 г). Динамические свойства датчиков невысоки. Собственная частота лежит в пределах 2...20 Гц.

Ограничение частотного диапазона вызвано наличием механических связей и значительных присоединенных масс в кинематических цепях датчиков, что создает большую инерционность и снижает собственную частоту датчика.

Другим важным фактором, снижающим динамические свойства датчиков, является необходимость обеспечения устойчивого контакта между движком и обмоткой измерительного потенциометра. При больших скоростях перемещения движка возможна потеря контакта. Это явление особенно свойственно проволочным потенциометрам, контактная дорожка у которых представляет собой волнообразную поверхность. Наличие механических вибраций при работе датчика увеличивает вероятность нарушения контакта. В этом случае имеет место явление «подскока» движка, особенно на резонансных частотах, когда искажается не только амплитуда, но и частота исследуемого процесса. Неустойчивая работа датчика может наблюдаться как на малых частотах и больших амплитудах колебаний давления, так и наоборот, на высоких частотах и малых амплитудах давления. У датчиков, способных работать в неустойчивом режиме, определяют, как правило, амплитудно–частотные характеристики на фиксированных частотах, доводя их работу до режима неустойчивости, и выявляют границы устойчивой работы.

4. ДАТЧИКИ С ПНЕВМОКОММУТАТОРАМИ ДАВЛЕНИЯ

Применяются эти датчики для измерения большого числа, медленноменяющихся параметров давления при обеспечении высоких требований к точности измерения. Характерной особенностью прибора является наличие в нем коммутатора давления – устройства, позволяющего использовать один датчик для последовательного измерения давления в нескольких десятках точек. Применение пневмокоммутаторов в сравнении с применением коммутаторов электрических сигналов дает ряд преимуществ: значительно сокращается состав аппаратуры, упрощается система в целом. Наличие контрольного датчика в системе позволяет повысить точность измерений. Основным недостатком пневмокоммутатора является его низкое быстродействие (из–за инерционности механической системы и длительности переходных процессов в полостях коммутатора и датчика при переключении). Пневмокоммутаторы по конструктивному исполнению можно классифицировать на: золотниковые и клапанные. Наибольшее применение нашли пневмокоммутаторы первой группы. Высокие требования предъявляются к датчику давления. Функциональная схема работы системы приведена на рис. 1.

Рис. 1. Система датчик–пневмокоммутатор давления.

Принцип действия пневмокоммутатора реализуется золотниковыми устройствами с плоской рабочей парой. Схема основного рабочего узла состоит из двух дисков – неподвижного 1 и поворотного 2, плотно прилегающих друг к другу, что достигается высокой точностью и чистотой обработки поверхности. В неподвижном диске имеются расположенные по окружности отверстия О₁ и О_п, к которым подключаются пневмотрассы от точек измерений. Центральное отверстие неподвижного диска соединено с рабочей полостью датчика 3. При вращении от шагового электродвигателя канал в поворотном диске последовательно через пневморазъем соединяет отверстия в неподвижном диске с его центральным отверстием, т.е. с датчиком. Регистрирующее устройство через усилитель фиксирует электрические сигналы датчика в виде последовательности импульсов, амплитуда которых пропорциональна, величине измеряемого давления. Для определения последовательности опроса измеряемого давления на параллельный канал регистрирующего устройства записываются сигналы маркера в виде чередования прямоугольных импульсов. Начало отсчета совпадает с опросом первого канала и отличается минимальным значением импульса маркерного устройства.

Система может работать с регистрирующим устройством в режиме внешней синхронизации и автономном режиме. Она получила наибольшее распространение при измерении полей давления по тракту газотурбинных двигателей.

5. ИНДУКТИВНЫЕ ДАТЧИКИ

Эти датчики входят в группу электромагнитных датчиков, реализующих две основные разновидности функций преобразования – индуктивность и взаимную индуктивность, что определяет два основных типа электромагнитных датчиков – индуктивные и трансформаторные. Принцип действия этих датчиков основан на зависимости индуктивности или взаимной индуктивности обмоток на магнитопроводе от изменения длины воздушного зазора. Трансформаторные датчики давления утратили свое преимущество перед индуктивными датчиками, связанное с усилением электрического сигнала с помощью дополнительных обмоток, размещенных в корпусе датчика. Эти функции взяли на себя стабильные микроэлектронные измерительные усилители. Отсутствие же дополнительных обмоток в корпусе индуктивного датчика открывает большие возможности миниатюризации. На практике, как правило, применяют индуктивные дифференциальные датчики, обеспечивающие меньшее влияние электромагнитных сил на упругий элемент, увеличение линейного участка функции преобразования и уменьшение температурной погрешности. В датчиках под воздействием давления одновременно и притом с разными знаками изменяются два зазора двух электромагнитов. Поэтому дифференциальные датчики в сочетании с мостовой измерительной схемой имеют более высокую чувствительность.

В качестве упругих элементов применяются круглые плоские мембраны, работающие при малых прогибах. В лучших образцах датчиков материалом мембраны, выполненной за одно целое с кольцом жесткости, служит коррозионностойкая сталь 4X13. Она сохраняет упругие свойства до 400°С. Герметичность приемных полостей осуществляется притиркой соприкасающихся плоскостей корпуса и упругого чувствительного элемента датчика, а герметизация электрических выводов обеспечивается с помощью специального герметика. В качестве намоточных проводов применяются термостойкие провода в эмалевой изоляции. Эластичность эмалей позволяет изготовить малогабаритные катушки индуктивности, работающие при температурах до 200...300°С. Индуктивные датчики нашли широкое применение для измерения давления при повышенных температурах окружающей среды.

Основную долю в суммарной погрешности датчика составляют аддитивная (уход нуля) и мультипликативная (изменение чувствительности) составляющие температурной погрешности. Они определяются рядом факторов. Уход нуля определяется, в основном, асимметрией геометрических размеров магнитных сердечников, активных сопротивлений катушек, воздушных зазоров и расположения катушек в корпусе датчика. Изменение чувствительности датчика определяется нестабильными температурной зависимостью модуля упругости материала упругого чувствительного элемента, удельной электрической проводимостью материалов провода обмотки и сердечника, а также магнитной проницаемостью. Аддитивная составляющая температурной погрешности датчика может быть существенно уменьшена путем применения конструктивно–технологического метода совершенствования датчика. Компенсация мультипликативной составляющей температурной погрешности достигается применением специальных методов, учитывающих электромагнитные параметры датчика.

Для измерения пульсаций давлений при высоких температурах (в камере сгорания газотурбинного двигателя) применяются датчики с активной тепловой защитой. Датчик может быть вынесен из горячей зоны с помощью трубопровода длиной до одного метра и диаметром 6 мм. Частота свободных колебаний такого акустического тракта составляет, примерно 85 Гц. Системы измерения пульсаций давления с индуктивными датчиками работают с противодавлением, которое осуществляет пневматическое центрирование измеряемого процесса. Это позволяет повысить точность измерений, применять датчики с большей чувствительностью, рассчитанные только на диапазон измерения переменной составляющей давления. Постоянная времени системы противодавления, состоящая из демпфера и ресивера, составляет 1,5 с, что обеспечивает измерение процесса, начиная с частоты 1 Гц. Индуктивные датчики с автономными усилителями позволяют измерять переменные давления в диапазоне частот более 1000 Гц. При применении высокочастотных датчиков давления самым низкочастотным звеном оказывается акустический тракт приемника давления с присоединенным объемом рабочей полости датчика.

Установка датчиков с открытыми мембранами является оптимальным вариантом с точки зрения минимизации динамических погрешностей. Для решения таких задач применяются миниатюрные (диаметром 5 мм, массой 2 г) термостойкие (до 200⁰С) датчики с погрешностью 2%.