Вы здесь

Розробка методів розрахунку та підвищення точності автогенераторних пневмомеханічних вимірювальних перетворювачів тиску навігаційних систем

Автор: 
Бондаренко Олександр Миколайович
Тип работы: 
Дис. канд. наук
Год: 
2004
Артикул:
0404U004880
99 грн
(320 руб)
Добавить в корзину

Содержимое

РОЗДІЛ 2
МЕТОДИ РОЗРАХУНКУ АВТОГЕНЕРАТОРНИХ ПНЕВМОМЕХАНІЧНИХ ВИМІРЮВАЛЬНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ ТИСКУ НАВІГАЦІЙНИХ СИСТЕМ
2.1. Базові функціональні схеми побудови та принцип дії
Основним функціональним перетворювачем ВПТ з ПМР є пневмомеханічна автоколивальна система (ПМАС), вихідна частота якої залежить від вимірюваного тиску. ПМАС (рис.2.1) є планарним ПМР, що за допомогою системи реєстрації (СР) і системи збурення (СЗ) підключається в контур додатного зворотного зв'язку широкосмугового підсилювача ШП з нелінійною вихідною характеристикою. Підсилювач компенсує втрати енергії за період коливань ПМР. Конструктивно ПМР включає (рис.2.2) плоску пневмокамеру 1, заповнену газом, і плоский резонуючий елемент (РЕ), який здійснює періодичні незатухаючі коливання з власною резонансною частотою коливань ПМР поблизу газонепроникного екрана (ГНЕ) 2. На рис.2.2 РЕ умовно представлений у вигляді жорсткої ефективної частини (ЕЧ) 3 з робочою поверхнею Sеф, підваженої на пружних елементах (ПЕ) 4. На рис.2.2 також позначені підсилювач 5, електроди СР 6 і СЗ 7.

Рис.2.1. Схема ПМАС

Рис.2.2.Схема ПМР
Р0, ?Г, ? і ? - густина, тиск, коефіцієнти Пуассона і динамічної в'язкості газу;
? - зазор між РЕ і ГНЕ

ПМР є роботоздатним (його частота коливань однозначно і необхідним чином залежить від вимірюваного тиску), якщо величина поперечного розміру пневмокамери (зазору ? між ЕЧ 3 РЕ і ГНЕ 2) досить мала. При цьому газ не встигає витікати з пневмокамери (чи натікати в неї) за половину періоду коливань РЕ у вакуумі. Він стискається (розширяється), вносячи добавку в сумарну жорсткість ПМР. Ця добавка називається приєднаною жорсткістю РЕ чи жорсткістю пружного середовища спр. Приєднана жорсткість спр залежить від тиску газу Р0, що подається в пневмокамеру, і конструктивних параметрів пневмокамери. РЕ під час коливань своєю поверхнею захоплює частину навколишнього газу. Газ, що захоплюється, дає добавку в сумарну масу ПМР. Ця добавка називається приєднаною масою РЕ mпр. Приєднана маса mпр залежить від щільності ?Г газу і геометрії пневмокамери. Власна частота f коливань ПМР з врахуванням описаних вище ефектів якісно описується таким виразом:
, (2.1)
де сре і mре - жорсткість пружних елементів і маса РЕ. Частота f , як і її елементи спр і mпр, залежить від тиску Р0 газу, що заповнює пневмокамеру, і конструктивних параметрів пневмокамери.
Будемо називати вимірювальними перетворювачами абсолютного тиску (ВПАТ) ті ВПТ, до пневмокамер яких безпосередньо подається газ, тиск PВ якого вимірюється. До ВПАТ відносяться всі реалізовані на сьогодні в дослідних чи серійних зразках ВПТ з ПМР [25 - 37]. В подальшому розглянемо ВПАТ найбільш вдалих схем: з кільцевим (рис.2.3,a) [36] і

циліндровим резонатором (рис.2.3,б) [34], резонуючою мембраною (рис.2.3,в) [31]. В ВПАТ на приєднану жорсткість cnp безпосередньо впливає вимірюваний тиск PВ і змінює, згідно (2.1), частоту коливань ПМР та вихідну частоту ПМАС. Пояснення основних позицій на рис.2.3 наведено в підрисунковому підпису.
ВПТ з ПМР, в яких контрольне середовище з вимірюваним тиском PВ відокремлюється за допомогою первинного перетворювального елементу (ППЕ) від газу з тиском Р0 в пневмокамері, будемо називати вимірювальними перетворювачами різниці тиску (ВПРТ). Функціональні схеми побудови ВПРТ представлені на рис.2.3,г,д [82, 83]. ППЕ на рис.2.3,д складається із розділяючої мембрани 9 з жорстким центром (ЖЦ) 10. Роль ВПЕ виконує ПМАС на ПМР з пневмокамерою 4, поперечний розмір якої (товщина ?) змінюється під час роботи ВПРТ. Зміна товщини пневмокамери здійснюється рухом однієї з її стінок, на рис.2.3,д - рухомого ГНЕ 3. ГНЕ 3 жорстко кріпиться до ЖЦ 10 мембрани 9. Інша стінка пневмокамери, роль якої виконує ЕЧ РЕ 1, кріпиться до нерухомої частини ВПРТ - корпусу 12.
Іноді виявляється доцільним введенням додаткового нерухомого ГНЕ 13 зі зворотного боку РЕ на малій відстані ?2, що задовольняє умові (1.31). Це дозволяє збільшити площу взаємодії РЕ з електродами СЗ 7 та СР 8, і, що важливо, підняти початкову частоту коливань РЕ (у підкореневому виразі рівняння (1.22) з'явиться ще один доданок). Більша початкова частота згідно виразу (1.31) дозволить збільшити змінний зазор між рухомим ГНЕ 3 і ЕЧ РЕ 1 і спростити його реалізацію. Недоліком збільшення початкової частоти є невелике зменшення чутливості ВПТ до вимірюваного тиску РВ, а додаткового ГНЕ 13 - ускладнення конструкції ВПРТ і процедури виставки початкової величини змінного зазору ? між ЕЧ РЕ 1 і рухомим ГНЕ 3 (рис.2.3,д).
Принцип дії ВПРТ наступний. Мембрана 9 ППЕ ВПРТ сприймає різницю тиску на ній між вимірюваним РВ в надмембранній 14 та незмінним Р0 в підмембранній 15 порожнинах ВПРТ, і перетворює його у прогин z свого жорсткого центру 10. На величину прогину z змінюється зазор ? (товщина пневмокамери 4) між ЕЧ РЕ 1 і рухомим ГНЕ 3. І вже безпосередньо внаслідок зміни геометрії пневмокамери, а саме зазору ? між ЕЧ РЕ 1 і рухомим ГНЕ 3, змінюється приєднана жорсткість cnp і вихідна частота ВПРТ згідно формул (2.1) чи (1.22).
Схеми ВПРТ рис.2.3,г відрізняється від рис.2.3,д конструктивно тим, що ПЕ РЕ 2 кріпиться до опор 11, сформованих на поверхні мембрани ППЕ 9. В такій схемі під час зміни вимірюваного тиску РВ ЕЧ РЕ 1 переміщується разом з мембраною, змінюючи зазор ? і частоту ПМАС, а в його ПЕ 2 змінюється натяг, що також впливає на власну частоту коливань ПМР і частоту ПМАС, згідно виразу (2.1), через зміну параметру сре. Схема рис.2.3,г має суттєві недоліки перед схемою рис.2.3,д:
- складність кріплення ПЕ РЕ 2 до опор 11, які мають невелику площу з'єднання і переміщуються не лише поступально, а ще й обертаються;
- низька добротність коливань РЕ, закріпленого на рухомій і недостатньо жорсткій для кріплення мембрані 9 ППЕ;
- великі габаритні розміри ВПРТ, які необхідні для забезпечення відчутного переміщення z опор 11 ППЕ і відчутної зміни зазору ? між ЕЧ РЕ 1