1.4. Пьезоэлектрические преобразователи (измерение пульсаций давления, вибрации и ударных нагрузок).

Применяемые при этом методе пьезоэлектрические ПИП относятся к числу так называемых генераторных преобразователей. Принцип действия пьезоэлектрических первичных преобразователей заключается в использовании прямого пьезоэлектрического эффекта — электрической поляризации кристалла диэлектрика, вызванной механическим растяжением и сжатием последнего. В качестве пьезокристалла используются кварц, титанат бария и пьезокерамика. Измерение этими преобразователями медленно меняющегося давления связано с большими погрешностями при утечке заряда, обусловленными недостаточно высокими электроизоляционными свойствами пьезокристаллов и изоляции обкладки. Преобразователи такого типа применяются в основном для измерения пульсаций давления. Достоинствами пьезоэлектрических преобразователей являются высокая чувствительность и широкий диапазон рабочих частот.

К недостаткам этих преобразователей относятся: зависимость чувствительности от значения температуры и от емкости кабеля, виброчувствительность, а также недостаточная временная стабильность.

На рис. 5.9 показана принципиальная схема пьезоэлектрического преобразователя пульсаций давления. Пульсация давления воздействует на пьезоэлемент 3 через мембрану 5, закрепленную в корпусе 2, и грибок 4. В результате этого воздействия на обкладках пьезоэлемента возникают электрические заряды и разность потенциалов изменяется пропорционально амплитуде пульсации. С помощью изолированного вывода 1 преобразователь подключа-

Рис. 5.9. Принципиальная схема пьезоэлектрического преобразователя пульсаций давления:

1 — вывод; 2 — корпус; 3 — пьезоэлемент; 4 — грибок; 5 — мембрана

ется к измерительной цепи. Чтобы преобразователь не перегревался, его охлаждают водой.

Преобразователь должен устанавливаться на двигатель без переходных трубок. Основная погрешность пьезоэлектрических преобразователей при измерении амплитуд составляет около 5...7 %. Для усиления сигналов пьезоэлектрического преобразователя можно использовать любой усилитель переменного тока с достаточно широкой полосой пропускания частот. Регистрация может проводиться как в аналоговой, так и в цифровой форме, которая позволяет с помощью специальных программ выполнять частотный анализ пульсаций давления.

1.5. Регистрация параметров (визуальный метод, фотографический метод, регистрация самопишущими приборами, электромагнитный и электроннолучевой методы регистрации).

Для регистрации параметров при испытаниях ЖРД применя­ются устройства различных типов в зависимости от требований по оперативности, наглядности, статической и динамической точ­ности, хранению, а также по возможности автоматизации процес­са обработки результатов испытания. Так, в процессе подготовки к запуску двигателя необходимо обеспечить визуальный контроль за давлениями и температурами компонентов, температурой кон­струкции, т. е. появляется необходимость в использовании стрелоч­ных или цифровых индикаторов, показания которых для контро­ля действий оператора должны быть зарегистрированы. В то же время в процессе испытания в связи с большим числом измеряе­мых параметров, а также быстротой процессов, развивающихся в узлах двигателя и элементах конструкции, необходимо применять Многоканальные быстродействующие регистраторы, позволяющие с высокой точностью экспонировать информацию и обеспечить воз­можность автоматизации ее вторичной обработки на вычислитель­ных устройствах. Рассмотрим различные типы регистраторов.

Визуальные регистраторы применяются для экспози­ции показаний стрелочных и цифровых индикаторных приборов, таких как манометры, измеряющие медленноменяющиеся давле­ния в узлах двигателя и системах стенда, весовые головки для измерения тяги и давления в камере сгорания, указатели напол­нения топливных емкостей и т. п. Обычно эти приборы группиру­ются в определенных отсеках стенда или пульта управления.

Автоматические компенсаторы и мосты применя­ются для регистрации медленноменяющихся параметров — темпе­ратур, давлений, перемещений, усилий. Обычно они используются как дублирующие регистраторы или как регистраторы визуаль­ного контроля при больших экспериментальных программах, та­ких, например, как термометрирование узлов двигателя. Автомати­ческие компенсаторы или потенциометры служат для измерения напряжения или тока, а автоматические мосты применяются, как правило, для измерения сопротивления.

В автоматических компенсаторах изменяемое напряжение, по­ступающее с первичного преобразователя или усилителя, компен­сируется известным значением напряжения от стабилизированно­го источника, а в автоматических мостах изменяемое сопротив­ление уравновешивается переменным сопротивлением реохорда. Показания регистраторов этого типа фиксируются на ленточной или круговой диаграмме. Информация, получаемая при помощи этих регистраторов, используется обычно для экспресс-анализа ре­зультатов испытания и проверки функционирования многочислен­ных вспомогательных стендовых систем.

Светолучевые регистраторы являются наиболее рас­пространенным типом регистраторов большинства основных пара­метров двигателя. В связи с широким внедрением при стендовых испытаниях ЖРД автоматизированных систем обработки резуль­татов измерений доля информации, получаемая с использованием светолучевых регистраторов (осциллографов), уменьшается. Но специфические задачи, решаемые при проведении динамических испытаний, испытаний по проверке эффективности систем автома­тической аварийной защиты и других, не позволяют полностью отказаться от их использования. Простота обслуживания и надеж­ность работы осциллографов, малые габаритные размеры и энер­гопотребление делают их незаменимыми в мелкосерийном произ­водстве и при опытных испытаниях.

Современные осциллографы позволяют регистрировать сигна­лы с частотами до 10 -кГц и выполняются обычно многоканальны­ми — до 16, 20 и более каналов. Сигналы регистрируются на фо­топленку или фотобумагу, которые требуют последующей хими­ческой обработки. Этот недостаток, приводящий еще и к увеличе­нию погрешности за счет усадки бумаги и пленки после химобработки на 2—3%, можно устранить, применяя бумагу типа УФ, чувствительную к ультрафиолетовым лучам, которая не требует последующей химической обработки. В качестве чувствительных элементов в светолучевых осциллографах применяются магнито­электрические системы с петлевыми или рамочными гальваномет­рами (рис. 3.54). Чувствительность и частотный диапазон гальва­нометров определяются геометрическими размерами подвижной системы., ее массой, жесткостью подвеса и степенью демпфирова­ния. Демпфирование подвижной системы гальванометра может быть осуществлено с помощью вязкой жидкости или за счет магнитоиндукционного эффекта, редко для этой цели используется воздух. С увеличением чувствительности гальванометра его ра­бочий частотный диапазон сужается.

Наиболее широкое распространение в технике измерений при испытаниях ЖРД получили светолучевые осциллографы Н-115, К-115, К-20-21, Н-700, Н-102, МПО-2. Принцип действия их во многом схож, на рис. 3.55 представлена оптическая система для одного канала записи осциллографа Н-115. Световой поток от источника света 1 в виде яркой полосы с помощью цилиндричес­кого конденсора 2 приводится в плоскость гальванометра 5. Отра­женный от зеркала световой пучок фокусируется на плоскость фотоленты 10 в виде пятна, которым и осуществляется запись. Ин­тенсивность записи регулируется с помощью диафрагмы 9. Часть светового пучка, идущего от зеркала гальванометра, с помощью зеркального развертывающего барабана 8 направляется на мато­вый экран 3 для визуального наблюдения. На пути лучей распо­ложен идентификатор, флажок которого 4 поочередно прерывает световые потоки, идущие от зеркал гальванометров, благодаря чему в линиях записи появляются разрывы, позволяющие просле­живать ход линий при их слиянии или пересечении. Для регулиро­вания начальных положений гальванометров используется специ­альное зеркало 6, которое может быть установлено на пути лучей, идущих от гальванометра к объекту. Посередине этого зеркала проходит матовая полоса, делящая его отражающую поверхность пополам, поэтому на экране луч от каждого гальванометра пред­ставляется в виде двух световых полосок. При правильной уста­новке гальванометров эти полоски имеют примерно равную яр­кость и равную длину.

Одновременно с записью измерительных сигналов на фотолен­ту осциллографа типа Н-115 наносятся линии отметок времени методом вертикального графления. Ход лучей для нанесения линий отметок времени показан на схеме штрихпунктирной линией с двумя точками. Роль модулятора светового потока выполняет вра­щающийся барабан 7 с десятью прорезями, одна из .которых шире остальных девяти. При установке скорости протяжки фотоленты одновременно устанавливается одна из четырех скоростей враще­ния барабана-отметчика: 3, 30, 300 или 3000 об/мин, что дает ин­тервал времени между отметчиками 2; 0,2; 0,02 или 0,002 с. Каж­дая линия отметки времени перекрывает фотоленту по всей шири­не. Ход лучей продольного графления показан на схеме штрихо­выми линиями. Через систему зеркал световой поток проецируется на фотоленту в виде яркой линии, перед лентой находится пласти­на И с рядом узких щелей, через которые происходит экспониро­вание. В результате на осциллограмме получаются тонкие линии продольного графления, что облегчает процесс обработки резуль­татов измерения. В качестве источников света в осциллографе ти­па Н-115 могут применяться лампы накаливания (при записи на фотобумагу с последующим проявлением) или ртутные лампы ультрафиолетового излучения для записи на фотобумаге типа УФ.

Схемы осциллографов типа Н-115 предусматривают возможность полно­го дистанционного управления режимом работы.

Магнитные аналоговые ре­гистраторы нашли широкое при­менение в структурах современных ав­томатизированных измерительно-вычислительных комплексов. К достоинствам этих приборов следует отнести большую информативность (возмож­ность многоканальной регистрации быстропеременных процессов с незва­ного аналогового регистратора значительной погрешностью), возмож­ность непосредственного ввода инфор­мации в ЭВМ, возможность многократного воспроизведения, удоб­ство и длительное время хранения носителя информации. Из не­достатков надо отметить почти полное отсутствие наглядности получаемой информации, трудность определения ее качества в процессе регистрации, временные искажения при синхронизации записи-с другими регистраторами и между каналами самого маг­нитного регистратора. Основными элементами устройства являют­ся блоки магнитных головок записи и воспроизведения, а также лентопротяжный механизм. В схему регистратора входит преобра­зователь входного напряжения по принципу амплитудной моду­ляции несущей частоты или импульсно-частотной модуляции.

В связи со своими метрологически­ми характеристиками и достаточно — высоким быстродействием магнитные аналоговые регистраторы применяются в системах измерения па­раметров пульсаций, вибраций, де­формаций, где требования по воз­можности автоматизации процесса превалируют над требованиями по точности получаемой информации.

Магнитные дискретные регистраторы. Современ­ная тенденция развития техники измерений при испытаниях ЖРД подразумевает создание измерительно-вычислительных комплексов (ИВК), позволяющих полностью автоматизировать процесс обра­ботки полученой информации. ИВК включают в себя комплекс ЭВМ, устройств ввода и преобразования информации, банк программ, представляющих собой математическое обеспечение комплекса.

В большинстве случаев задачи автоматизированной обработки информации подразумевают использование в качестве носителей первичной информации магнитограммы дискретных регистраторов. Как и у аналоговых регистраторов, фиксация сигналов осущест­вляется на магнитную ленту, но принципиальным отличием яв­ляется дискретная форма регистрации в виде кода с кадровой экс­позицией через заданный интервал времени. Частота опроса каж­дой линии связи может изменяться в диапазоне 50—400 1/с. В свя­зи с этим магнитные аналоговые регистраторы применяются для измерения параметров в частотном диапазоне до 50 Гц, не выше, т. е. сравнительно медленно-меняющихся процессов. Зарегистри­рованные на магнитную пленку процессы могут быть воспроизве­дены на электрографическом устройстве, что в значительной мере повышает наглядность получаемой информации и позволяет про­вести экспресс-анализ результатов испытания. Основная же обра­ботка производится на ИВК с получением высокоточной необхо­димой информации в форме иди таблиц «время—параметр», или требуемых характеристик двигателя с использованием имеющихся в банке программ алгоритмов.