eng
Выпуск #5/2003
Д.Тихомиров.
Датчик давления при воздействии нестационарных тепловых потоков
Датчик давления при воздействии нестационарных тепловых потоков
Просмотры: 2476
Для работы датчика давления в условиях нестационарных тепловых потоков специалистами НИИ физических измерений (Пенза) предложена новая топология тензорезисторов, обеспечивающая снижение погрешности.
Измерение давления в кислородных магистралях жидкостных ракетных двигателей типа РД-180, как правило, производится серийно выпускаемыми датчиками давления Вm 212. Анализ получаемых результатов при испытаниях двигателей показывает, что погрешность датчика может достигать 30–40%. Такой показатель погрешности – следствие воздействия на датчик тепловых потоков нестационарного характера. Они могут проходить со стороны подмембранной полости при поступлении хладагента, со стороны корпуса двигателя в результате его нагревания или охлаждения потоками жидкости или газа, со стороны кабельной перемычки при обдуве газом, температура которого существенно отличается от температуры корпуса датчика.
С помощью программного комплекса "Термоудар" были проведены моделирование и исследование нестационарных температурных деформационных процессов, и в результате сделаны следующие выводы и предположения:
· воздействие нестационарных тепловых потоков на датчик вызывает перепад температур в зоне расположения тензорезисторов, значение которого зависит от уровня измеряемого давления;
· максимальный перепад температур приходится на низкие уровни измеряемых давлений и составляет около 70°С в первую секунду подачи хладагента в приемную полость датчика;
· время установления теплового баланса в зоне расположения тензорезисторов зависит от уровня измеряемых давлений и колеблется от 3600 с (при низких давлениях) до 60 с при высоких давлениях;
· максимальное значение тепловой деформации отмечается в первые секунды подачи хладагента и составляет 1·10-4.
Решение задачи по уменьшению погрешности датчика Вm 212 в общем случае сводится к максимально возможному снижению теплообмена между чувствительным элементом и действующими на датчик тепловыми потоками, а также к изготовлению тензорезисторов на основе материалов и технологии, обеспечивающих температурный коэффициент сопротивления (ТКС) не хуже 1·10-6 1/°С, и к изготовлению упругого элемента из элинварных сплавов.
Проведенные эксперименты показали, что разница температур в зонах расположения тензорезисторов, работающих на растяжение и сжатие, для существующей конструкции сохраняется в течение всего времени работы двигателя. Кроме того, радиальные деформации, возникающие в первую секунду от воздействия термоудара, приводят к дополнительной, приблизительно 10%-ной, погрешности.
Для устранения разницы температур между тензорезисторами сжатия и растяжения предложена топология, изображенная на рисунке. Новое расположение тензорезисторов обеспечивает целый ряд преимуществ:
· все тензорезисторы расположены в слое с одинаковой температурой на протяжении всего времени работы датчика;
· радиальные тензорезисторы воспринимают практически пиковые деформации;
· тангенциальные тензорезисторы нагружены очень малыми деформациями растяжения – только за счет поперечного эффекта;
· динамический коэффициент запаса прочности тензорезистивной схемы выше в 2–2,5 раза по сравнению с базовой схемой;
· деформация от воздействия термоудара в начальный момент и во времени практически одинакова для всех тензорезисторов.
Данная топология использована в физической модели датчика. Его отличительные особенности сводятся к следующему:
· по присоединительным размерам новый датчик соответствует датчику Вm 212;
· чувствительный элемент датчика выполнен из элинварного сплава ВУС-22 с термонезависимым модулем упругости;
· датчик имеет вакуумированную замембранную полость;
· вылет датчика относительно установочной поверхности по сравнению с датчиком Вm 212 уменьшен в 1,5 раза;
· в приемной полости датчика имеется ввертное сужающее устройство;
· кабельная перемычка имеет четыре провода (вместо пяти);
· подгонка начального разбаланса осуществляется шунтированием одного из плеч моста;
· ТКС тензорезисторов ограничен значением не более
3,5·10-5 1/°С;
· кольцевая проточка на чувствительном элементе выполнена с минимально возможным сечением.
На изготовленных десяти опытных образцах Вm 212-1А УТ были проведены испытания в диапазонах измеряемого давления 0–1250 и 0–28 кг/см2 , которые позволили сделать следующие выводы:
· принятые технические решения по снижению погрешности датчика типа Вm 212 при действии на него нестационарных тепловых процессов вполне оправданны;
· применение сплава ВУС-22 снижает температурную погрешность чувствительности не менее чем на порядок;
· расчетные значения чувствительности датчика хорошо совпадают с экспериментальными данными (сходимость 5 %);
· опытные образцы нового датчика соответствуют всем ТУ на датчик Вm 212, включая требование по виброустойчивости (амплитуда вибрации до 600 g в частотном диапазоне до 3 кГц). Проведение испытаний на вибропрочность при воздействии вибраций уровнем 1600 g в частотном диапазоне до 10 кГц возможно только при натурных испытаниях у заказчика;
· при обеспечении ТКС тензорезисторов в 1·10-6 1/°С отпадает необходимость температурной настройки датчиков.
С помощью программного комплекса "Термоудар" были проведены моделирование и исследование нестационарных температурных деформационных процессов, и в результате сделаны следующие выводы и предположения:
· воздействие нестационарных тепловых потоков на датчик вызывает перепад температур в зоне расположения тензорезисторов, значение которого зависит от уровня измеряемого давления;
· максимальный перепад температур приходится на низкие уровни измеряемых давлений и составляет около 70°С в первую секунду подачи хладагента в приемную полость датчика;
· время установления теплового баланса в зоне расположения тензорезисторов зависит от уровня измеряемых давлений и колеблется от 3600 с (при низких давлениях) до 60 с при высоких давлениях;
· максимальное значение тепловой деформации отмечается в первые секунды подачи хладагента и составляет 1·10-4.
Решение задачи по уменьшению погрешности датчика Вm 212 в общем случае сводится к максимально возможному снижению теплообмена между чувствительным элементом и действующими на датчик тепловыми потоками, а также к изготовлению тензорезисторов на основе материалов и технологии, обеспечивающих температурный коэффициент сопротивления (ТКС) не хуже 1·10-6 1/°С, и к изготовлению упругого элемента из элинварных сплавов.
Проведенные эксперименты показали, что разница температур в зонах расположения тензорезисторов, работающих на растяжение и сжатие, для существующей конструкции сохраняется в течение всего времени работы двигателя. Кроме того, радиальные деформации, возникающие в первую секунду от воздействия термоудара, приводят к дополнительной, приблизительно 10%-ной, погрешности.
Для устранения разницы температур между тензорезисторами сжатия и растяжения предложена топология, изображенная на рисунке. Новое расположение тензорезисторов обеспечивает целый ряд преимуществ:
· все тензорезисторы расположены в слое с одинаковой температурой на протяжении всего времени работы датчика;
· радиальные тензорезисторы воспринимают практически пиковые деформации;
· тангенциальные тензорезисторы нагружены очень малыми деформациями растяжения – только за счет поперечного эффекта;
· динамический коэффициент запаса прочности тензорезистивной схемы выше в 2–2,5 раза по сравнению с базовой схемой;
· деформация от воздействия термоудара в начальный момент и во времени практически одинакова для всех тензорезисторов.
Данная топология использована в физической модели датчика. Его отличительные особенности сводятся к следующему:
· по присоединительным размерам новый датчик соответствует датчику Вm 212;
· чувствительный элемент датчика выполнен из элинварного сплава ВУС-22 с термонезависимым модулем упругости;
· датчик имеет вакуумированную замембранную полость;
· вылет датчика относительно установочной поверхности по сравнению с датчиком Вm 212 уменьшен в 1,5 раза;
· в приемной полости датчика имеется ввертное сужающее устройство;
· кабельная перемычка имеет четыре провода (вместо пяти);
· подгонка начального разбаланса осуществляется шунтированием одного из плеч моста;
· ТКС тензорезисторов ограничен значением не более
3,5·10-5 1/°С;
· кольцевая проточка на чувствительном элементе выполнена с минимально возможным сечением.
На изготовленных десяти опытных образцах Вm 212-1А УТ были проведены испытания в диапазонах измеряемого давления 0–1250 и 0–28 кг/см2 , которые позволили сделать следующие выводы:
· принятые технические решения по снижению погрешности датчика типа Вm 212 при действии на него нестационарных тепловых процессов вполне оправданны;
· применение сплава ВУС-22 снижает температурную погрешность чувствительности не менее чем на порядок;
· расчетные значения чувствительности датчика хорошо совпадают с экспериментальными данными (сходимость 5 %);
· опытные образцы нового датчика соответствуют всем ТУ на датчик Вm 212, включая требование по виброустойчивости (амплитуда вибрации до 600 g в частотном диапазоне до 3 кГц). Проведение испытаний на вибропрочность при воздействии вибраций уровнем 1600 g в частотном диапазоне до 10 кГц возможно только при натурных испытаниях у заказчика;
· при обеспечении ТКС тензорезисторов в 1·10-6 1/°С отпадает необходимость температурной настройки датчиков.
Отзывы читателей
