Способ измерения пульсаций давления

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к измерению пульсаций давления в аэродинамическом эксперименте. Способ заключается в том, что чувствительные элементы датчика пульсаций давления из диэлектрической пленки используют в газовой среде, тогда к чувствительности пульсаций давления добавляется чувствительность пульсаций влажности, температуры, индуцируемых пульсацией давления. При этом возникает необходимость отделить полезный сигнал пульсаций давления от помех, шумов, пульсаций температуры и влажности. Для этого путем проведения нескольких экспериментов обеспечивается выделение полезного сигнала. Эксперимент проводят при заданных в отдельности значениях пульсаций влажности и температуры, затем одновременно пульсации влажности и температуры и в последних экспериментах задают пульсации давления. 1 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения давления в авиационной, корабельной технике, машиностроении.

Известен способ измерения пульсаций давления пленочным датчиком давления, в котором рассматривают влияние температуры (от 20 до 300°С) на основные параметры датчика (см. А.А.Казарян. Пленочные датчики давления. Принципы термокомпенсации в тонкопленочных датчиках давления, стр.218-222, издательство «Бумажная галерея», г.Москва, 2006 г.). Влияние температуры связывают с изменением размеров пленки α_а,в, а также с нестабильностью модуля упругости α_Е и диэлектрической проницаемости α_ε. Считают, что пленка однородна и нагревается равномерно. За базу сравнения принимают выходное напряжение α_U при давлении, равном 1 Па. Определяют безразмерные коэффициенты α_а,в, α_ε, α_E. По этим трем коэффициентам получают четвертый: α_U=-2+α_а,в+α_ε+α_Е. Показано, что изменение размеров обкладок конденсатора (датчика) а, в из полиимида незначительно в сравнении с вариабельностью ε, Е. Экспериментальным путем при температуре 23°С определяют искомое выходное напряжение как U_вых=U_вых23·α_U, из графиков при заданном значении текущего значения температуры θ_~ определяют коэффициент α_U.

Этот способ не позволяет измерять пульсацию давления при наличии пульсаций температуры и влажности, индуцируемыми давлением в газовом потоке

К недостаткам можно отнести отсутствие методики выделения из основного сигнала, т.е. полезного сигнала, сигналов пульсаций температуры, влажности, деформации изделий, дробовых, контактных шумов, влияния внешних электромагнитных помех.

Наиболее близким к предложенному изобретению техническим решением является способ измерения пульсаций давления (см. патент РФ №2087883, кл. G01L, 9/12, 1997).

При этом способе измерения пульсаций давления на поверхность объекта наклеивают пленочный датчик давления, задают пульсации давления, чувствительные элементы (ЧЭ) датчика измеряют сигнал деформации. Среднеквадратичное значение (СКЗ) полезного сигнала определяют как где U_общ - измеренное общее напряжение; U_пом - измеренное СКЗ напряжение помех без влияния пульсаций давления. Коэффициент преобразования измерительного канала определяют как ,

где Р - давление, зарегистрированное контрольным датчиком в процессе градировки. Далее в рабочем состоянии изделий, т.е. при воздействии давления и деформации с выходов ЧЭ датчика, регистрируют сигнал на индикаторе. После этого на основе результатов измерения и градировки из суммарного сигнала U_Σ выделяют сигналы помех U_пом шумов и деформаций:

,

где U_деф - сигнал деформации без сигнала помех и шумов.

К недостаткам способа измерения пульсаций давления можно отнести: отсутствие возможности из полезного сигнала пульсаций давления выделить сигналы пульсации температуры и влажности обтекаемого потока газа в аэродинамических экспериментах.

Задачей изобретения является повышение качества измерения и расширение области применения. Техническим результатом является то, что ЧЭ датчика из диэлектрической пленки используется в газовой среде, чувствительность пульсаций давления суммируется с чувствительностью пульсаций температуры и влажности, индуцируемыми пульсациями давления.

Задача и технический результат достигаются тем, что в способе измерения пульсаций давления, в котором на поверхность объекта исследования наклеивают пленочные датчики пульсаций давления, задают градировочные значения пульсаций давления, из общего сигнала выделяют сигналы шумов и помех разного происхождения, градуируют чувствительные элементы датчика, определяют коэффициенты преобразования измерительного канала, регистрируют в индикаторе, в нем датчик помещают в разную газовую среду, задают разные уровни относительной влажности и на выходе измерительного канала регистрируют общий сигнал U_общ,ΔМ, смешанный с сигналами шумов и помех U_ш.п и сигналами U_ΔМ, индицируемыми массой воды ΔM, затем из общего сигнала U_общ,ΔM выделяют сигнал U_ΔМ, строят зависимость U_ΔМ от ΔМ, затем задают на датчик некоторое значение давления и регистрируют общий сигнал U_{общ,пол,ΔM}, смешанный с шумами, помехами U_ш,п, полезными U_пол и сигналами U_ΔМ, снова из сигнала U_{общ,пол,ΔM} выделяют сигнал U_ш,п, получают сигнал U_пол,ΔM и из этого сигнала выделяют сигнал U_ΔМ, на выходе измерительного канала имеют полезный сигнал U_пол, причем показывают, что сигналы U_ΔМ и U_пол между собой жестко связаны, т.е. коэффициент корреляции равен единице, в следующем эксперименте датчик, наклеенный на профиль, располагают в сжимаемую газовую среду, задают несколько значений индуцируемой температуры Δθ_г, а на выходе измерительного канала регистрируют сигнал U_{общ,Δθг}, смешанный с сигналами U_ш.,п. и индуцируемой температуры U_Δθг, затем из последнего сигнала выделяют сигнал U_ш.,п и получают сигнал индуцируемой температуры U_Δθг, строят зависимость U_Δθг температуры Δθ_г, снова на датчик задают некоторое значение и на выходе измерительного канала регистрируют общий сигнал U_{общ,пол,Δθг}, смешанный с сигналами U_ш.п., U_пол, U_Δθг, при этом из U_{общ,пол,Δθг} выделяют U_ш.п, получают U_{пол,Δθг}, затем из U_{пол,Δθг} выделяют сигнал U_Δθг и получают полезный сигнал U_пол, причем сигналы U_{пол,Δθг} и U_Δθг между собой тоже жестко связаны и при этом коэффициент корреляции равен единице, в последнем эксперименте датчик располагают в газовой среде и одновременно задают пульсации давления , влажности ΔМ и температуры Δθ_г, при таком воздействии на выходе измерительного канала регистрируют общий сигнал U_{общ,пол,ΔM,Δθг}, смешанный с сигналами U_ш.п., U_пол, U_ΔM, U_Δθг, затем из сигнала U_{общ,пол,ΔM,Δθг} выделяют сигнал U_ш.п., получают сигнал U_{пол,ΔM,Δθг} при этом учитывают, что сигналы U_пол, U_ΔМ, U_Δθг между собой жестко связаны - коэффициент корреляции равен единице, затем при этом из сигнала U_{пол,ΔM,Δθг} выделяют сигнал U_ΔМ, получают сигнал U_{пол,Δθг} и из него выделяют сигнал U_Δθг, получают U_пол и величину искомой пульсации давления определяют как

,

где S - коэффициент преобразования каналов.

На чертеже изображена конструкция датчика пульсации давления с блок-схемой измерения. Конструкция датчика с газообразным диэлектриком содержит диэлектрическую пленку 1, на нижней поверхности этой пленки расположен основной экран 2, а на верхней поверхности - обкладки 3, боковой экран 4. Диэлектрическая пленка 5 с ячейками расположена между верхней 6 и нижней 3 обкладками датчика. Верхняя обкладка 6 и боковой экран 7 сформированы на нижней поверхности диэлектрической пленки 8. Основной экран 2 от профиля (объекта) изолирован диэлектрической пленкой 9. Слои пленок 9, 2, 1, 5, 8 между собой скрепляют пленкой клея 10. Блок-схема измерения пульсаций давления содержит источник поляризации датчика 11, согласующий усилитель заряда 12, нормирующий усилитель 13 и индикатор 14. Для защиты датчика от влияния внешних электромагнитных помех и трибоэлектрического эффекта экраны 2, 4, 7 можно соединить на выходе согласующего усилителя заряда в точке а.

Устройство функционирует следующим образом: при поляризованном состоянии датчика и при воздействии пульсаций давления на верхнюю поверхность диэлектрической пленки 8 изменяется расстояние между обкладками 3, 6 и на выходе датчика возникает электрический сигнал пропорционально заданному давлению. Этот сигнал подают на вход согласующего усилителя заряда 12. С выхода усилителя заряда сигнал усиливают, нормируют в нормирующем усилителе напряжения 13 и подают на вход индикатора 14 для хранения и дальнейшей обработки. Известен датчик пульсаций давления типа ДЕГ-4 (датчик емкостный с газообразным диэлектриком четырехслойный). Усилители заряда и нормирующие усилители тоже известны как отечественного (например, ЦАГИ), так и зарубежного образца фирмы Брюль и Къер (Дания). Индикатором может быть любой современный компьютер. Исполнение устройства: одно- и многоканальное.

Принцип работы датчика. При изменении давления на ΔР изменяется расстояние между обкладками 6, 3. В результате прогиба обкладки изменяется начальная емкость С, приращение емкости ΔС и относительное изменение емкости . Напряжение на выходе датчика пропорционально приращению емкости и напряжению поляризации с выхода блока 11.

Способ измерения пульсаций давления реализуется следующим образом.

Пленочные датчики, используемые в аэродинамическом эксперименте, с ЧЭ из газообразного или твердых диэлектриков, кроме измерения пульсаций давления , одновременно измеряют пульсации влажности, температуры, индуцируемые давлением . В реальности датчики эксплуатируют в разных условиях среды, а именно: 1) датчики располагают (находятся) в среде низкой сжимаемости, в частности жидкости. В этом случае индуцируемая температура и вызывает некоторые изменения чувствительности датчика; 2) датчик находится в сжимаемой среде, т.е. в почти неподвижной газовой среде. В этом случае одновременно рассматривают влияние температуры и индуцируемые пульсации давления, совпадающие с измеренным (полезным) значением пульсаций давления.

Рассматривают каждый случай в отдельности.

1. В слоистой конструкции пленочных датчиков пульсаций давления с клеевым связующим действие влаги более заметно, чем в монолитной конструкции. Показывают, что проникновение влаги в поры пленки вызывает изменение диэлектрической проницаемости, тангенса угла потерь, емкости, сопротивления утечки, удельного сопротивления и сопротивления на выходе датчика и вследствие уменьшения чувствительности. Проникновение влаги в объем диэлектрика очень медленно, порядка многих часов. Наличие влаги в ЧЭ датчика влияет на теплопроводность диэлектрика. Чувствительность датчика к пульсации давления в жидкой среде при разной степени содержания влаги в объеме ЧЭ датчика практически остается неизменной.

Определяют действие пульсаций давления на поверхность влагонасыщенного ЧЭ датчика, вызывающее относительное изменение массы воды в единице объема ЧЭ, т.е. определяют изменение как , откуда ; где М - масса воды в единичном объеме диэлектрического ЧЭ; ΔM - индуцированная масса воды; γ - показатель адиабаты газа при постоянных давлении и объеме; Р₀ - начальное давление. Известно, что приращение массы воды ΔM приводит к изменению линейных размеров ЧЭ датчика, находящегося в контакте с обтекаемым газом, и соответственно к увеличению обшей массы воды как:

.

Известно, что при влажности в состоянии насыщения, увеличение пульсаций давления обуславливает рост электрической емкости ЧЭ. Чувствительность ЧЭ (датчика) к сильному изменению влагосодержания газа, индуцируемого изменением давления, имеет одинаковый знак с чувствительностью ЧЭ к пульсациям давления.

2. Для определения влияния индуцируемой температуры Δθ на результаты измерения пульсаций давления воспользуемся уравнением для идеального газа в адиабатических условиях. Это уравнение позволяет показать изменение пульсаций температуры газа Δθ_г в зависимости от пульсаций давления как: ,

где Р₀ - начальное давление газа; θ₀ - начальная температура газа, K - коэффициент теплообмена между газом и датчиком, зависящий от толщины диэлектрических пленок 1, 5, 8, 9, удельной теплоемкости слоев пленки, теплопроводности газа, диэлектрической пленки и изменения частоты давления.

Выбирают наиболее критичный электрический параметр - емкость датчика от воздействий пульсации температуры Δθ как:

,

где - изменение емкости ЧЭ датчика за счет прогиба обкладки 6 под действием ;

- изменение емкости преобразования ЧЭ датчика за счет индуцируемой температуры Δθ.

Определяют полное относительное изменение емкости в зависимости

с учетом уравнения идеального газа в адиабатических условиях как: ,

где λ - модуль объемного расширения диэлектрика датчика. Поскольку индуцируемые температура и давление изменяются одинаково в зависимости от частоты, то их значения тоже суммируются с одинаковыми знаками. При малых частотах доминирующим является влияние индуцируемой температуры. На более высоких частотах сохраняется только реакция деформации диэлектрической пленки 8 от индуцируемого давления.

Сравнение экспериментальных результатов показывает, что реакция на индуцируемое изменение влагосодержания газа сильнее, чем реакция на изменение температуры и индуцируемые пульсации давления.

Известно, что адиабатический характер газовой среды обуславливает изменение температуры, связанное с изменением давления, в спектральной области, ограниченной снизу переходом от изотропных условий к адиабатическим, а сверху переносом тепла от внешних поверхностей датчика к внутренним.

3. Для выделения из общего сигнала полезного сигнала пульсаций давления, смешанных с индуцируемыми пульсациями влажности, температуры, шумами и помехами, воспользуемся общими правилами суммирования напряжения или токов шумов различных типов, возникающих связанно и несвязанно друг с другом. При наложении эффектов от независимых и зависимых источников шумов их общая мощность равна сумме мощностей отдельных источников. Напряжения шумов от двух генераторов складывают по правилу сложения мощностей и, проведя серии экспериментов, получают следующие результаты.

Первый эксперимент. В статическом состоянии исследуемого объекта при нормальной влажности (сухом воздухе), нормальной температуре (20÷30°С) измеряют суммарные шумы и помехи U_ш,п на выходе нормирующего усилителя 13 и регистрируют в индикаторе 14. В этих условиях градуируют ЧЭ, т.е. задают пульсации давления на испытуемых ЧЭ постоянной величины , на выходе усилителя 12 сигнал градировки подают через усилитель 13 и запоминают в индикаторе. Из общего сигнала, смешанного с сигналами шумов и помех U_ш,п, выделяют полезный сигнал градуировки и определяют коэффициент преобразования канала S как: ; .

Второй эксперимент. Датчик располагают в среде низкой сжимаемости газа и задают разные уровни относительной влажности газа (например, 0, 25, 50, 75, 100%). При этом не задают пульсации давления и при разных уровнях и постоянных значениях относительной влажности с выхода нормирующего усилителя сигнал, смешанный с сигналами U_ш,п и сигналом U_ΔМ, индуцируемыми массой воды ΔM, регистрируют и запоминают в индикаторе. Затем выделяют сигнал U_ΔМ из общего сигнала U_общ,ΔM как . Такой эксперимент повторяют неоднократно при разной степени влажности от 0 до 100%. Строят зависимость U_ΔМ=f(ΔМ) %.

Третий эксперимент. В условиях второго эксперимента задают постоянное значение пульсаций давления и на выходе усилителя 13 имеют общий сигнал U_{общ,пол,ΔM}, смешанный с U_ш,п, U_пол, U_ΔМ. Выделяют полезный сигнал как , где U_пол,Δм - сигнал пульсаций влажности, индуцируемый массой воды (влажности), совпадающий по фазе и амплитуде с сигналом U_пол., индуцируемым давлением . С учетом того, что сигналы U_Δм и U_пол между собой жестко связаны, т.е. они между собой сильно коррелированы и коэффициент корреляции β=1, полезный сигнал определяют как: .

Четвертый эксперимент. ЧЭ датчика располагают в сжимаемую газовую среду, т.е. в адиабатических условиях газа задают некоторое значение индуцируемой температуры Δθ_г и на выходе усилителя 13 измеряют сигнал, смешанный с сигналами шумов, помех и индуцируемой температурой, U_общ, _Δθг регистрируют и запоминают в индикаторе. Из общего сигнала U_общ,_Δθг выделяют сигнал, индуцированный температурой Δθ_г как: . Как в предыдущем эксперименте, так и в этом задают несколько значений индуцируемой температуры Δθ_г1, … Δθ_гn, строят зависимость U_Δθг от температуры Δθ_г.Затем на ЧЭ датчика задают пульсации давления и на выходе усилителя 13 измеряют и регистрируют сигнал U_{общ,пол,Δθг}, смешанный с сигналами шумов и помех U_ш,п., пульсаций давления U_пол и индуцируемый температурой U_Δθг.Сначала выделяют из сигнала U_{общ,пол,Δθг} сигнал U_{пол,Δθг}, затем U_Δθг как: . В этом эксперименте тоже обращают внимание на тот эффект, что сигнал пульсаций давления и сигнал, индуцируемый температурой, жестко связаны между собой, т.е. они между собой коррелированы и коэффициент корреляции равен β=1, а, полезный сигнал из общего сигнала выделяют как:

Пятый эксперимент. ЧЭ датчика располагают в газовой среде и на них задают одновременно пульсации давления , индуцируемое пульсациями влажности ΔM и температуры Δθ_г. При таком воздействии на ЧЭ на выходе усилителя 13 регистрируют общий сигнал U_{общ,пол,ΔM,Δθг}, смешанный с сигналами U_ш,п; U_пол; U_ΔМ; U_Δθг и ставится задача выделить из общего сигнал полезный сигнал U_пол так: выделяют сигнал шумов и помех ; затем из последнего выделяют сигнал U_ΔМ, т.е. ; из этого сигнала выделяют полезный сигнал U_пол и имеем .

Величину искомого значения пульсаций давления определяют как .

С этой целью в ЦАГИ были испытаны датчики при температуре окружающего воздуха от +24 до -12°С и влажности 79-95%. Во влажном состоянии датчики выдерживали трое суток под открытым небом. После выдержки влажностью во влажном состоянии экспериментально сняли зависимости выходного напряжения пульсаций давления от частоты 25-30 Гц. При заданном значении давления первоначально наблюдалось резкое снижение выходного напряжения с высокой скоростью, и практически визуальная регистрация была невозможна. Эту тенденцию наблюдали в течение нескольких минут. Затем стало возможным построить зависимости выходного сигнала от давления. Полученное значение выходного сигнала сравнивали с сигналами, полученными в нормальных условиях. Первоначально резкое снижение выходного сигнала объясняется поверхностным явлением датчика, а именно: испарением влаги на поверхности вследствие увеличения сопротивления утечки, увеличения электрической емкости утечки. Причем во влажном состоянии собственное активное сопротивление падает, а емкость возрастает. Во влажном состоянии и при температуре -10÷12°С (под открытым небом) результаты исследований показали: сопротивление изоляции в лабораторных условиях составляло 10¹² Ом, а на стенде при испытании газотурбинных двигателей с влажностью 98% - 10¹⁰ Ом между выводами и 10⁶ Ом относительно земли. При этом входное сопротивление усилителей заряда снижалось от 10⁹ до 10⁶ Ом. В указанных условиях были градированы датчики, был измерен средний уровень пульсаций давления ~140÷160 дБ.

При измерении пульсаций давления в аэродинамической трубе практически при постоянном значении температуры газа и при изменении числа Маха 0,6÷0,8 не было резкого изменения пульсаций давления от пульсации температуры газа. При измерении пульсаций давления в гиперзвуковых аэродинамических трубах тоже не было зарегистрировано влияния пульсаций температуры, индуцированного пульсацией давления. Это объясняется тем, что время измерения составляет не более одной сек.

Несвязанные шумы и помехи, которые не коррелированы между собой, суммируются U_Σ, на основе сложения мощностей как: . Такой способ измерения пульсаций давления в газовой среде с помощью тонкопленочных емкостных ЧЭ из диэлектрической пленки, где к чувствительности пульсаций давления добавляется чувствительность к пульсациям влажности ΔM и температуры Δθ_г, индуцируемым , повышает точность измерения, экономически эффективен и выгодно отличается от выбранного аналога и прототипа.

Способ измерения пульсаций давления, в котором на поверхность объекта исследования наклеивают пленочные датчики пульсаций давления, задают градировочные значения пульсаций давления, из общего сигнала выделяют сигналы шумов и помех разного происхождения, градуируют чувствительные элементы датчика, определяют коэффициенты преобразования измерительного канала, регистрируют в индикаторе, отличающийся тем, что датчик помещают в разную газовую среду, задают разные уровни относительной влажности и на выходе измерительного канала регистрируют общий сигнал U_общ.ΔM, смешанный с сигналами шумов и помех U_ш.п и сигналами U_ΔM, индицируемыми массой воды ΔМ, затем из общего сигнала U_общ.ΔM выделяют сигнал U_ΔM, строят зависимость U_ΔM от ΔM, затем задают на датчик некоторое значение давления и регистрируют общий сигнал U_{общ.пол.ΔM}, смешанный с шумами, помехами U_ш.п, полезными U_пол и сигналами U_ΔM, снова из сигнала U_{общ.пол.ΔM} выделяют сигнал U_ш.п, получают сигнал U_пол.ΔM и из этого сигнала выделяют сигнал U_ΔM, на выходе измерительного канала имеют полезный сигнал U_пол, причем показывают, что сигналы U_ΔM и U_пол между собой жестко связаны, т.е. коэффициент корреляции равен единице, в следующем эксперименте датчик, наклеенный на профиль, располагают в сжимаемую газовую среду, задают несколько значений индуцируемой температуры Δθ_г, а на выходе измерительного канала регистрируют сигнал U_{общ.Δθг}, смешанный с сигналами U_ш.п и индуцируемой температуры U_Δθг, затем из последнего сигнала выделяют сигнал U_ш.п и получают сигнал индуцируемой температуры U_Δθг, строят зависимость U_Δθг температуры Δθ_г, снова на датчик задают некоторое значение давления и на выходе измерительного канала регистрируют общий сигнал U_{общ.пол.Δθг}, смешанный с сигналами U_ш.п, U_пол, U_Δθг, при этом из U_{общ.пол.Δθг} выделяют U_ш.п, получают U_{пол.Δθг}, затем из U_{пол.Δθг} выделяют сигнал U_Δθг и получают полезный сигнал U_пол, причем сигналы U_{пол.Δθг} и U_Δθг между собой тоже жестко связаны и при этом коэффициент корреляции равен единице, в последнем эксперименте датчик располагают в газовой среде и одновременно задают пульсации давления , влажности ΔM и температуры Δθ_г, при таком воздействии на выходе измерительного канала регистрируют общий сигнал U_{общ.пол.ΔM.Δθг}, смешанный с сигналами U_ш.п, U_пол, U_ΔM, U_Δθг, затем из сигнала U_{общ.пол.ΔM.Δθг} выделяют сигнал U_ш.п, получают сигнал U_{пол.ΔM.Δθг}, при этом учитывают, что сигналы U_пол, U_ΔM, U_Δθг между собой жестко связаны - коэффициент корреляции равен единице, затем при этом из сигнала U_{пол.ΔM.Δθг} выделяют сигнал U_ΔМ, получают сигнал U_{пол.Δθг} и из него выделяют сигнал U_Δθг, получают U_пол, и величину искомой пульсации давления определяют как: , где S - коэффициент преобразования каналов.