Авиационные приборы и системы (стр. 22 )

, (4.13)

- зависимость тягового усилия F от давления

. (4.14)

На рис. 4.10 приведены тяговые характеристики позиционного ЧЭ по уравнению (4.13). Зависимость тягового усилия по давлению в соответствии с уравнением (4.14) можно считать пропорциональной:

,

где Sэф – эффективная площадь сильфона.

Сущность уравнения (4.13) не меняется и для вибрационно-частотного датчика давления, выходом чувствительного элемента которого является тоже перемещение, но в виде колебаний. Любой упругий чувствительный элемент должен работать только в пределах закона Гука, когда сила упругости прямо пропорциональна изменению перемещения материала.

Основными погрешностями упругих ЧЭ является упругое последействие, гистерезис и температурная погрешность [13].

Упругое последействие проявляется как погрешность в виде запаздывания информации от скорости нарастания давления. Гистерезис проявляется в неоднозначности выходной информации при увеличении и уменьшении давления (рис. 4.11). Обе эти погрешности вызываются внутренними трениями материала ЧЭ.

Температурная погрешность ЧЭ вызывается изменением модуля упругости его материала при изменении температуры. Чем больше температурный коэффициент материала, тем больше температурная погрешность ЧЭ.

Для изготовления металлических ЧЭ чаще всего применяются бронза (например, берилиевая БрБ2-2,5) и сталь нержавеющая (1Х18Н9Т). Конкретно для СВС применяются упругие чувствительные элементы манометрического и анероидного типов, в принципе действия которых лежит упругая деформация материала под действием разности давлений (когда на выходе перемещение) или возникновение сосредоточенной силы под действием разности давлений (в сильфонах).

Потенциометрический датчик

Конструкция, материал, габаритные размеры ЧЭ сильно зависят от вторичного преобразователя (рис. 4.7). В потенциометрическом датчике давления часто применяется мембранная коробка в качестве ЧЭ с достаточно большими габаритами (40 – 60 мм). Принцип действия этого датчика построен на изменении электрического сопротивления в зависимости от длины металлического проводника при перемещении щетки по поверхности проводника.

Рис. 4.12. Потенциометрический преобразователь	Рис. 4.13. Элементы потенциометра: 1 – щетка; 2 – провод; 3 – изоляция; 4 – каркас

На рис. 4.12 представлена принципиальная схема потенциометрического преобразователя перемещения x в электрическую величину U. Для изготовления потенциометра используется тонкая проволока, намотанная в один ряд на изоляционный каркас (рис. 4.13). Материалом проволоки может быть константан, платина, сплавы платины и серебра. Щетка изготавливается из платины, золота, серебра. Потенциометры могут быть линейными, нелинейными и функциональными.

Основными погрешностями потенциометрических датчиков являются витковая погрешность и погрешность от трения.

Рис. 4.14. Типовая характеристика потенциометра: ΔRx – цена одного витка; Δx – порог по перемещению

На рис. 4.14 приведена характеристика проволочного потенциометра, которая имеет вид лесенки. Пока щетка не передвинется на один виток Δx, изменения сопротивления не происходит. Так образуется витковая погрешность потенциометра, которая численно равна:

, (4.15)

где w – число витков потенциометра.

Погрешность от трения потенциометрического датчика давления вызывается трением щетки о провод, которое через механизм датчика приводится к неподвижному центру упругого чувствительного элемента, отнимая часть полезного перемещения.

С целью повышения точности датчика необходимо увеличивать число витков путем уменьшения диаметра проволоки и длины полезной части намотки. В свою очередь это требует увеличения полезного перемещения ЧЭ, что влечет за собой увеличение габаритов его. Бесконечно тонким провод быть не может (обычно 0,03 – 0,04 мм).

Уменьшение погрешности от трения можно достичь опять же за счет увеличения габаритов ЧЭ. Все это приводит к трудно разрешимому противоречию с миниатюризацией габаритно массовых параметров датчика. Для устранения витковой погрешности иногда применяют безвитковые потенциометры, когда вместо проволоки на каркас наносится токопроводящая масса. До допустимой величины витковую погрешность можно свести путем применения многооборотного потенциометра, например, двадцати оборотного, как это сделано в СВС-72.

В силу простоты потенциометрических датчиков, их относительно низкой стоимости они нашли широкое применение в авиации. Например, датчик ДАС в нескольких модификациях по диапазону до сих пор применяется в аварийных самописцах самолетов. Их вес 1,5 кг и погрешность порядка 2 % от диапазона.

Привлекательность свойств потенциометрических датчиков, недостаточная освоенность других типов, например, полупроводниковых датчиков, побуждали многие фирмы мира к их совершенствованию. Большую и дорогостоящую работу по совершенствованию потенциометрических датчиков провела американская фирма Serkonic Instruments, Inc. На разработку датчика L-113 она затратила около 50000 долларов. Один датчик стоил 400 долларов, вес его 50 грамм, погрешность 1 % от диапазона, проволока потенциометра из платинового сплава, механизм датчика безлюфтовый ленточный. В других моделях датчика эта фирма достигла разрешающую способность 0,3 % при точности 1 % от диапазона измерения. Были применены различными фирмами многие технические решения: ленточная безлюфтовая передача, сверхтонкий провод, безвитковый пленочный или угольный потенциометр, лучшие материалы для провода и щетки, чувствительные элементы из лучших материалов и в виде плоских мембран, и в виде коробок, и в виде трубок Бурдона.

Однако достичь лучших результатов по точности, чем 0,5 – 1 %, не удалось. Кроме низкой точности потенциометрические датчики обладают невысокой надежностью из-за наличия скользящего контакта в паре намотка-щетка.

Индуктивный датчик давления

Индуктивный датчик принципиально отличается от потенциометрического вторичным преобразователем, в качестве которого в нем применяется индуктивный преобразователь перемещения в напряжение переменного тока. Индуктивные датчики давления успешно конкурируют на международном рынке из-за своей простоты, высокого выходного сигнала и надежности, особенно для измерения переменного давления в диапазоне до 1000 Гц.

Принцип действия индуктивного преобразователя основан на изменении коэффициента самоиндукции дросселя вследствие изменения воздушного зазора магнитопровода при перемещении якоря или сердечника относительно обмотки. Коэффициент самоиндукции дросселя определяется выражением

, (4.16)

где ω – число витков обмотки; Ro – магнитное сопротивление воздушного зазора; Rж – магнитное сопротивление магнитопровода.

Из формулы (4.16) видно, что коэффициент самоиндукции зависит от трех параметров – ω, Ro и Rж. При изменении любого параметра из этих трех меняется общее сопротивление катушки с сердечником.

В зависимости от способов изменения индуктивности и полного сопротивления катушек индуктивные преобразователи разделяются на преобразователи с переменным сопротивлением воздушного зазора, с переменным сопротивлением магнитопровода и с переменным числом витков.

Рис. 4.15. Индуктивный преобразователь перемещения: δ – зазор; 1 – сердечник; 2 – якорь	Рис. 4.16. Зависимость коэффициента самоиндукции от зазора

На рис. 4.15 представлена принципиальная схема индуктивного преобразователя с переменным воздушным зазором, а на рис. 4.16 показана его характеристика.

В мировой практике авиаприборостроения наибольшее применение нашли индуктивные преобразователи с переменным воздушным зазором различных конструкций, в том числе дифференциальные. Как и многие другие индуктивные преобразователи обрабатываются с помощью уравновешенного моста (рис. 4.18).

К положительным свойствам индуктивных датчиков относятся высокая надежность и практически неограниченная долговечность из-за отсутствия контактного трения; высокая чувствительность, что позволяет измерять перемещения до 0,001 мм. К недостатку индуктивного преобразователя следует отнести механическое воздействие его на первичный преобразователь (ЧЭ), с которым связан якорь, который может притягиваться к сердечнику.

Рис. 4.17. Индуктивный преобразователь дифференциальный	Рис. 4.18. Мостовая схема подключения индуктивных преобразователей

Лучшие образцы индуктивных датчиков давления зарубежных и отечественных фирм имеют следующие характеристики: основная погрешность ± 0,5 % от диапазона, гистерезис ± 0,1 %, рабочий диапазон частоты измерения давления 0 – 1000 Гц, масса 100 – 150 грамм, выходной сигнал 0 – 5 вольт.