Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ современного технического уровня и тенденций развития, способов снижения температурной погрешности измерения 13
1.1 Анализ современного технического уровня 13
1.2 Анализ тенденций развития на основе патентной и научно-технической информации 20
1.3 Способы снижения температурной погрешности измерения
1.3.1 Снижение мощности воздействия температуры 32
1.3.2 Снижение чувствительности к температуре
1.3.2.1 Технологические способы снижения чувствительности к температуре 33
1.3.2.2 Конструктивные способы снижения чувствительности к температуре 34
1.3.2.3 Используемые конструктивные способы снижения чувствительности к температуре 35
1.3.2.4 Схемно-технические способы снижения чувствительности к температуре 37 Выводы по первой главе. 40
Глава 2 Коррекция температурной погрешности измерения с использованием вторичных преобразователей 41
2.1 Исследование влияния температуры рабочей среды на коэффициент преобразования измеряемого акустического давле- 41 ния в выходной сигнал 2.2 Исследование температурных зависимостей электрофизических параметров пьезоэлементов из различных материалов 47
2.3 Разработка структуры вторичного преобразователя 52
2.4 Разработка структуры инфразвукового микрофона и его вто 3 ричного преобразователя 57
Выводы по второй главе 62
Глава 3 Синтез математической модели процесса эксплуатации 64
3.1 Имитационное моделирование процесса эксплуатации при термоударном воздействии рабочей среды 64
3.2 Экспериментальная проверка результатов имитационного моделирования и разработка методики коррекции температурной погрешности измерения 67
3.3 Выбор математической модели процесса эксплуатации при термоударном воздействии рабочей среды
3.3.1 Определение импульсной переходной функции 78
3.3.2 Расчёт значений импульсной переходной функции 80
3.3.3 Расчёт значений импульсной переходной функции со скорректированной температурной погрешностью измерения 82
3.3.4 Вычисление значений выходного сигнала со скорректированной температурной погрешностью измерения 84
Выводы по главе 3 86
Глава 4 Исследование вторичного преобразователя 87
4.1 Назначение вторичного преобразователя, цели и объём испытаний 87
4.2 Материально-техническое обеспечение испытаний 88
4.3 Результаты испытаний
4.3.1 Проверка коэффициента преобразования измеряемого акустического давления в выходной сигнал 89
4.3.2 Проверка коэффициента термочувствительности при воздействии температуры рабочей среды с градиентом менее 200 С в час 92
4.3.3 Проверка коэффициента термочувствительности при воздействии температуры рабочей среды с градиентом более 200 С в секунду 94
4.3.4 Проверка неравномерности АЧХ в диапазоне частот от 10 до 10000 Гц 95
4.3.5 Проверка коэффициента влияния медленноменяющегося (абсолютного) давления в диапазоне от 1 105 до 0,01 105 Па на коэффициент преобразования 97
4.3.6 Проверка виброэквивалента 98
4.3.7 Определение относительной основной погрешности 100 Выводы по главе 4 103
Заключение 105
Список сокращений и условных обозначений 107
Список литературы
- Снижение мощности воздействия температуры
- Разработка структуры инфразвукового микрофона и его вто 3 ричного преобразователя
- Определение импульсной переходной функции
- Проверка коэффициента преобразования измеряемого акустического давления в выходной сигнал
Введение к работе
Актуальность работы. На всех этапах разработки ракетно-космической техники проводятся расчет, моделирование и экспериментальные исследования воздействий акустического давления. Измерение акустического давления осуществляется пьезоэлектрическими датчиками акустического давления (пьезодатчиками). Это связано с тем, что пьезоэлектрический метод преобразования позволяет при минимальных габаритных размерах пьезоэлементов и их достаточной чувствительности проектировать датчики с высокой точностью, надежностью работы и устойчивостью к воздействию дестабилизирующих факторов.
Теоретические и практические положения, касающиеся разработки пьезодатчиков и вторичных преобразователей информативных параметров, изложены в трудах советских и российских ученых: В. М. Шлян-дина, Е. А. Ломтева, Е. П. Осадчего, М. В. Богуша, В. А. Волкова, Р. Г. Джагупова, Б. В. Малова, Е. А. Мокрова, А. Е. Панича, В. М. Шарапова, П. П. Чуракова, зарубежных ученых: А. А. Вайвза, У. Кэди, У. Мэзона, К. Стейнем, А. Яншофа, Б. Яффе, Г. Яффе и др.
Согласно нормативно-техническим требованиям ОСТ 92-4527–84 дополнительная температурная погрешность (температурная погрешность) пьезодатчиков характеризуется диапазоном значений коэффициента влияния температуры рабочей среды на коэффициент преобразования (коэффициента термочувствительности). В диапазоне температур от минус 180 до 200 С значение коэффициента термочувствительности должно быть в пределах от 0,6 до 1,2. Однако при эксплуатации пьезодатчиков, разработанных с использованием известных технологических и конструктивных способов, особенно в условиях термоударного воздействия рабочей среды, это требование не обеспечивается. По этим причинам снижение температурной погрешности измерения при нестационарной температуре рабочей среды и термоударных воздействиях с использованием схемно-технических способов обработки сигналов является актуальной задачей.
Цель диссертационной работы – снижение температурной погрешности измерения пьезодатчиков, эксплуатирующихся при нестационарной температуре рабочей среды и термоударных воздействиях.
Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие основные задачи:
1) выявить источники влияния нестационарной температуры рабочей среды и термоударных воздействий на выходной сигнал пьезо-
датчика об измеряемом акустическом давлении экспериментальным путем, а также путем имитационного моделирования процесса эксплуатации с использованием программного обеспечения SolidWorks Flow Simulations и MathCAD;
-
разработать способ измерения температуры параметров пьезо-элементов путем использования информативных относительно температуры параметров схемы замещения пьезодатчика, что позволит использовать пьезодатчик для измерений акустического давления, температуры и уменьшить время установления выходного сигнала при термоударном воздействии;
-
экспериментально исследовать влияние нестационарной температуры рабочей среды на параметры схемы замещения пьезо-элементов из пьезокерамических материалов, в частности APC-840, APC-850, на основе ЦТС-83Г, ЦТСБ и т.д., и выявить наиболее информативные относительно температуры параметры пьезоэлементов для их использования при снижении температурной погрешности;
-
разработать методику снижения температурной погрешности измерения и времени установления выходного сигнала пьезодатчика об измеряемом акустическом давлении с использованием информативных относительно температуры параметров выходных сигналов пьезоэлементов и математического моделирования процесса эксплуатации;
-
разработать и внедрить структуру вторичного преобразователя информативных параметров пьезодатчиков, использование которого позволит измерять температуру пьезоэлементов и длительность термоударного воздействия, уменьшить время установления выходного сигнала, снизить температурную погрешность измерения акустического давления и расширить диапазон рабочих температур.
Объектом исследования диссертационной работы являются первичные и вторичные преобразователи информативных параметров пьезодатчиков.
Предметом исследования являются схемно-технические способы снижения температурной погрешности измерения и преобразователи на их основе.
Методы исследования. При математическом моделировании процесса эксплуатации пьезодатчиков использовались методы операционного исчисления. При решении задачи снижения температурной погрешности измерения использовалось имитационное моделирование на ЭВМ процесса эксплуатации с применением программного обеспечения SolidWorks Flow Simulations и MathCAD. В экспериментальных иссле-4
дованиях использовались положения теории планирования эксперимента и принципы математической обработки результатов.
Соответствие паспорту специальности. Область исследований соответствует п. 1 паспорта специальности 05.11.01 «Приборы и методы измерения (электрические и магнитные величины)»: с использованием созданных при проведении работы новых научно-технических решений уменьшен диапазон значений коэффициента термочувствительности пьезодатчика ДХС 525 в диапазоне рабочей среды от минус 180 до 200 С с градиентом 200 С/ч с (0,63…1,19) до (0,99…1,0), в диапазоне рабочей среды от 25 до минус 180 С и от 25 до 200 С с градиентом 200 С/с с (1,00…1,67) до (1,00…1,03).
Научная новизна работы:
-
Разработан способ измерения температуры пьезоэлементов, отличающийся тем, что для измерения температуры используются информативные относительно температуры параметры схемы замещения, позволяющий использовать пьезодатчик для измерений акустического давления, температуры, а также для снижения температурной погрешности измерения и уменьшения времени установления выходного сигнала при термоударном воздействии.
-
Разработана методика снижения температурной погрешности измерения пьезодатчика, отличающаяся вычислением значения измеряемого акустического давления с использованием измеренных значений температур пьезоэлементов, акустического давления, а также полученных при настройке значений коэффициентов термочувствительности и параметров импульсной переходной функции, позволяющая уменьшить время установления выходного сигнала и существенно снизить температурную погрешность измерения.
-
Разработан вторичный преобразователь информативных параметров пьезодатчиков с уменьшенным значением температурной погрешности измерения, отличающийся использованием информативных относительно температуры параметров схемы замещения, позволяющий использовать пьезодатчик для измерений акустического давления, температуры, определения длительности термоударного воздействия, уменьшить время установления выходного сигнала, существенно снизить температурную погрешность и расширить диапазон рабочих температур.
Практическая значимость работы. Предложенные в диссертации решения позволили уменьшить диапазон значений коэффициента термочувствительности пьезодатчика ДХС 525 в диапазоне рабочей среды от минус 180 до 200 С с градиентом 200 С/ч с (0,63…1,19)
до (0,99... 1,0), в диапазоне рабочей среды от 25 до минус 180 С и от 25 до 200 С с градиентом 200 С/с с (1,00.. .1,67) до (1,00... 1,03).
Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведенные автором в АО «НИИФИ», ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», и способствует решению актуальной задачи снижения температурной погрешности измерения при нестационарной температуре рабочей среды и термоударных воздействиях.
На защиту выносятся:
-
Способ измерения температуры пьезоэлементов путем использования информативных относительно температуры параметров схемы замещения, зависимости которых однозначны во всем диапазоне рабочих температур, позволяющий использовать пьезодатчик для измерений акустического давления, температуры, а также для снижения температурной погрешности измерения и уменьшения времени установления выходного сигнала при термоударном воздействии.
-
Методика снижения дополнительной температурной погрешности измерения пьезодатчиков путем вычисления значения акустического давления с использованием определенных при настройке значений импульсной переходной функции при термоударном воздействии рабочей среды с заданным изменением температуры, определенных при настройке значений коэффициентов термочувствительности для каждого поддиапазона из ряда поддиапазонов, причем ряд поддиапазонов получен путем разделения диапазона рабочих температур на поддиапазоны, значений температур пьезоэлементов, измеренных с использованием информативных относительно температуры параметров схемы замещения, измеренного значения акустического давления, позволяющая уменьшить время установления выходного сигнала и существенно снизить температурную погрешность измерения.
-
Структура вторичного преобразователя информативных параметров пьезодатчиков для снижения температурной погрешности измерения с использованием информативных относительно температуры параметров схемы замещения, позволяющая использовать пьезо-элементы для измерения температуры и длительности термоударного воздействия, уменьшить время установления выходного сигнала и существенно снизить температурную погрешность измерения.
-
Результаты экспериментального исследования и внедрения вторичного преобразователя информативных параметров пьезодатчиков, применение которого позволило уменьшить время установления выходного сигнала и существенно снизить температурную погреш-
ность измерения при термоударном воздействии рабочей среды до минус 180 С.
Достоверность полученных результатов обеспечена корректностью применения математического аппарата, совпадением результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Реализация работы и внедрение результатов. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований автора использованы и внедрены в АО «НИИФИ» при разработке вторичного преобразователя информативных параметров пьезодатчиков ДХС 514, ДХС 516, ДХС 521, ДХС 525, ДХС 526; использованы в АО «НИИФИ» при разработке инфразвукового микрофона свободного поля на основе полимерных и пьезокерамических нанопленок, армированных углеродными нановолокнами, по теме: «Исследование проблем создания и разработки перспективной конкурентоспособной датчиковой и преобразующей аппаратуры и информационно-управляющих радиометрических систем для ракетно-космической техники, перспективных методов, средств и систем измерения, сбора и обработки информации о параметрах ракетно-космической техники и окружающей среды» (шифр темы: НИР «Датчик»), выполненной по госконтракту от 04.05.2012 № 783-0623/12, заказчик – Федеральное космическое агентство.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на пяти научных конференциях: VII Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий» (Москва, 2015); Международной научно-технической конференции «Шляндинские чтения – 2016» (Пенза, 2016); XVII Международной научно-технической конференции «Измерения, контроль, информатизация» (Барнаул, 2016); ежегодном Международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2016); Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2015).
Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертационных исследований изложены в 18 публикациях, из них 5 публикаций – в журналах, рекомендованных ВАК РФ. По теме диссертационной работы получено 3 патента на изобретение.
Личный вклад автора заключается в постановке задач исследования, разработке экспериментальных и теоретических методов их решения, в обработке, анализе, обобщении полученных результатов и формулировке выводов. Автор принимал непосредственное участие
в разработке и испытаниях пьезодатчиков ДХС 525, ДХС 526 и вторичных преобразователей информативных параметров для них.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем работы с приложениями – 148 страниц машинописного текста, включая 51 рисунок, 21 таблицу. В приложениях представлены перечень патентов, направленных на решение проблемы снижения температурной погрешности измерения акустического давления при нестационарной температуре рабочей среды и термоударных воздействиях, показатели технического уровня пьезодатчиков ведущих производителей, результаты имитационного моделирования в MathCAD, результаты испытаний вторичного преобразователя информативных параметров пьезодатчиков и акт внедрения. Список литературы содержит 126 наименований.
Снижение мощности воздействия температуры
Пьезодатчик ДХС 514 включает в себя корпус 11, в котором размещены рабочий керамический пьезоэлемент 1 с проволочным выводом 3, элемент виброкомпенсирующий пьезокерамический 2 с проволочным выводом 3, основание 10, опорная втулка 8, токосъёмник 9. Блок рабочего и виброкомпен-сирующего пьезоэлементов, закреплённых на токосъёмнике 9 и в основании 10, поджимается гайкой 4. Кабельная перемычка 6 поджимается втулкой 7 и с использованием сварки соединяется с корпусом вторичного преобразователя. Кабельная перемычка, в которой для передачи сигнала с пьезодатчика используется антивибрационный кабель, оканчивается цилиндрическим корпусом, в котором размещена измерительная цепь вторичного преобразователя, который предназначен для нормирования коэффициента преобразования пьезодатчика, предварительного усиления сигнала с пьезодатчика и согласования электрических выходных параметров вторичного преобразователя с последующими устройствами.
Работа пьезодатчика основана на принципе возникновения знакопеременных зарядов на поверхности пьезоэлементов под действием акустического давления. Измеряемое акустическое давление воспринимается мембраной и передаётся на рабочий пьезоэлемент. Сигнал с пьезоэлемента снимается с использованием проволочного вывода 3, токосъёмника 9 и передаётся на вход вторичного преобразователя. Виброкомпенсация в пьезодатчике реализована параллельным электрическим включением и встречным механическим включением рабочего и виброкомпенсирующего пьезоэлементов [10].
Проведённый анализ научно-технической и нормативной документации, реестр которой приведён в таблице А.2 Приложения А, и технических характеристик отечественных пьезодатчиков, зарубежных ёмкостных датчиков и пьезодатчиков, которые приведены в таблице А.3 Приложения А. показал, что зарубежные и отечественные датчики акустических давлений имеют примерно одинаковую чувствительность к измеряемому давлению: до 4 мкВ/Па у пьезо-датчиков, до 50 мкВ/Па у зарубежных ёмкостных датчиков, до 250 мкВ/Па у пьезодатчиков с вторичными преобразователями. У зарубежных датчиков отклонение выходного сигнала об измеряемом акустическом давлении составляет не более 15 % во всём температурном диапазоне. У отечественных пьезо-датчиков акустических давлений отклонение выходного сигнала об измеряемом акустическом давлении, которое характеризуется коэффициентом термочувствительности, достигает до 85 % (ДХС 516 АО НИИФИ»). Нижняя граница температурного диапазона датчиков пульсаций давления (не акустического диапазона) достигает до минус 240 С (серия 113 фирмы «PCB Piezotronic»), верхняя граница достигает до 780 С (CP215 фирмы «Meggit Endevco» (бывш. «Vibrometer»). Нижняя граница температурного диапазона отечественных пье-зодатчиков акустических давлений достигает до минус 180 С (ДХС 525 АО НИИФИ») у зарубежных пьезодатчиков до минус 40 С (серия 40 фирмы «G.R.A.S»), до минус 73 С (серии 102, 112 фирмы «Columbia Research Laboraories»). Верхняя граница температурного диапазона у отечественных датчиков достигает до 250 С (ДХС 525 АО «НИИФИ»), у зарубежных датчиков до 302 С (серия 40 фирмы «G.R.A.S»). При анализе веса ёмкостных датчиков выявлено, что в каталогах зарубежных фирм часто указывается только масса микрофонных капсюлей [2 – 8], а при измерениях используется комплект из пьезодатчика, которым является микрофонный капсюль, и вторичного преобразователя, в состав которого входит предусилитель и преобразователь. Вес микрофонных капсюлей ёмкостных датчиков равен до 9 гр (серия 40 фирмы «G.R.A.S»). Вес отечественных и зарубежных датчиков акустического давления составляет от 100 (серии 102, 103, 106, 113 фирмы «PCB Piezotronic») до 160 гр (ДХС 516 АО «НИИФИ») и до 200 гр для пьезодатчиков в комплекте с соединительным кабелем и вторичным преобразователем.
Отдельного рассмотрения требуют многомерные датчики [11, 12]. Многомерными датчиками являются, например, датчики абсолютного давления и температуры воздуха на впускном трубопроводе автомобильного двигателя фирм «Ford» [13], «Bosh» [14], включающие в себя два датчика (давления и температуры). Датчик абсолютного давления оценивает изменения давления воздуха в ресивере впускного трубопровода и преобразовывает их в выходные сигналы напряжения. Датчик температуры воздуха представляет собой терморезистор, который изменяет свое сопротивление в зависимости от температуры воздуха. На датчик подаётся стабилизированное напряжение и измеряется его изменение для определения температуры впускного воздуха. Ещё одним примером многомерных датчиков являются датчики фирмы «Danfoss» MBS 1300, MBS 1350 [15], которые используются для измерения давления и температуры в гидравлических системах в условиях воздействия гидроудара. Использование двухмерных пьезодатчиков акустических давлений и температуры увеличивает информативность и точность измерений из-за того, что информация о дестабилизирующем факторе – температуре рабочей среды, влияющем на точность измерений акустического давления используется для снижения температурной погрешности измерения давления. При реализации двухмерного пьезодатчика акустического давления и температуры решаются следующие проблемы: – выбор информативного относительно температуры параметра; – обеспечение отсутствия взаимного влияния каналов измерения акустического давления и температуры; – обеспечение максимальной компенсации температурной погрешности измерений акустического давления.
Различные задачи проектирования датчиков и варианты их решения позволили сформировать научно-технический задел конструктивных решений, который используется в настоящее время и позволяет учитывать также и взаимное влияние конструктивных элементов, чьи физические и электрические параметры изменяются при изменениях температуры рабочей среды: термоупругие перемещения в корпусе датчика и в сопряжённых с ним элементах, отличия в изменениях геометрических размеров из-за разных температурных коэффициентов линейных расширений материалов элементов датчика, напряжения и деформации в материале мембраны, пироэлектрические эффекты в пье-зоэлементе датчика и др. [10 – 12, 20 – 26, 29 – 35, 38 – 117].
Разработка структуры инфразвукового микрофона и его вто 3 ричного преобразователя
На основании анализа [20 – 35, 39 – 46, 60 – 65, 73 – 81, 108 – 114], а также вышеизложенных результатов исследований разработана структура вторичного преобразователя информативных параметров пьезодатчиков. У разработанной структуры есть аналоги.
Первым аналогом является приемник низкочастотных колебаний давления в водной среде, содержащий основной и дополнительный пьезоэлементы, корпус, выполненный из теплопроводящего материала, например, металла. Основной пьезоэлемент прикреплен снаружи корпуса и воспринимает колебания давления водной среды, а также флуктуации температуры воды и смещения корпуса как составляющих помехи. Дополнительный пьезоэлемент, идентичный основному, прикреплен к корпусу в воздушной полости внутри корпуса, где он изолируется от колебаний давления водной среды, но воспринимает флуктуации температуры водной среды и смещения корпуса. Оба пьезоэле-мента включены параллельно друг другу с встречным направлением знаков поляризации и выполнены из идентичного пьезоматериала [113].
Недостатком первого аналога является низкая точность измерения, обусловленная различием зависимостей температур пьезоэлементов от температур водной и воздушной сред.
Вторым аналогом является устройство для измерения давления. Устройство содержит датчик и блок измерения. Датчик выполнен в виде корпуса с мембраной, в котором установлен пьезоэлемент из пористой пьезокерамики, токосъемник, узел поджатия пьезоэлемента. Блок измерения содержит два компаратора, три нормирующих усилителя, мостовую измерительную схему, генератор, усилитель переменного тока, выпрямитель, АЦП, цифровой индикатор и таймер. Устройство используется для измерения давления, влажности и температуры рабочей среды. Конструкцией предусмотрено поочередное измерение давления, влажности и температуры [92].
Недостатками данного устройства являются низкое быстродействие устройства, обусловленное поочередным измерением температуры и динамического давления, а также низкая точность измерения давления из-за отсутствия у устройства коррекции температурной погрешности измерения давления.
Разработан способ измерения температуры пьезоэлемента, который заключается в том, что на пьезоэлемент с генератора постоянного синусоидального тока подаётся токовый сигнал стабильной амплитуды и частоты, значение которой превышает максимальное значение диапазона измеряемого акустического давления. Зависимость падения амплитуды напряжения токового сигнала на комплексном сопротивлении пьезоэлемента от температуры используется для измерения температуры, воздействующей на пьезоэлемент. При дальнейшем преобразовании суммарный выходной сигнал разделяется на сигнал с параметрами, информативными относительно измеряемого акустического давления, и сигнал информативный относительно температуры пьезо-элемента, использующийся для снижения температурной погрешности измерения.
С использованием предлагаемого способа создана структура вторичного преобразователя информативных параметров выходных сигналов пьезоэле-ментов (рис. 2.6), который позволяет измерять температуру пьезоэлементов, длительность термоударного воздействия, уменьшить время установления выходного сигнала и снизить температурную погрешность измерения пьезодат-чика.
Пьезодатчик включает в себя корпус с размещёнными в нём рабочим и виброкомпенсирующим пьезоэлементами. Кабельная перемычка, в которой для передачи сигнала с пьезодатчика используется антивибрационный кабель, оканчивается корпусом вторичного преобразователя. Работа пьезодатчика основана на принципе возникновения знакопеременных зарядов на электродах рабочего пьезоэлемента под действием измеряемого акустического давления АРА. На рабочий пьезоэлемент через мембрану воздействует измеряемое акустическое давление PА, температура T и вибрация V, на виброкомпенсирую-щий пьезоэлемент через корпус пьезодатчика воздействует температура T и вибрация V. Рабочий и виброкомпенсирующий пьезоэлементы на рис. 2.6 показаны в виде схем замещения, состоящих из источников зарядов QПЭ1 и QПЭ2, электрических сопротивлений RПЭ1 и RПЭ2 и электрических ёмкостей CПЭ1 и CПЭ2 соответственно. В качестве информативных относительно температуры параметров схемы замещения выбраны температурные изменения электрических ёмкостей CПЭ1 и CПЭ2. Падение напряжения на выводах пьезоэлемента от протекания синусоидального тока от генератора переменного тока определяется выражением [77]: л ЯЭ1(2) . р ПЭ1(2) Um1(2)=IrTC-Zn31(2)=IrrC (2.9) ЯПЭ1(2)1(2) + Іггс и fnc - амплитуда и частота синусоидального тока генератора Гсин соответственно; Rnsi(2) и СПЭ1(2) - сопротивления утечек Япэь ЯПЭ2 и электрические ёмкости Сизі и СПЭ2 рабочего и виброкомпенсирующего пьезоэлементов соответственно; 1ПЭ1(2) - комплексное сопротивление рабочего и виброкомпенсирующего пьезоэлементов соответственно. Выбором значения частоты- /ггс тест-сигнала генератора достигается выполнение соотношения ЯПЭ1(2) » , при этом модуль выражения (2.9)
Из выражения (2.10) становится видно, что модуль падения напряжения на выводах пьезоэлементов от протекания тока генератора Гсин обратно пропорционален значениям электрических ёмкостей СПЭ1 и СПЭ2, зависящих от температур пьезоэлементов [55, 77].
Для частотного разделения сигналов по измеряемому акустическому давлению, вибрации и температурам пьезоэлементов, снимаемых с выводов каждого пьезоэлемента, значение частоты генераторов переменного тока ГПТ 1 и ГПТ 2 (1 МГц) взято выше, чем верхняя граница частотного диапазона измерения акустического давления (20 кГц). Из электрического сигнала с рабочего пьезоэлемента с использованием усилителя заряда УЗ1, масштабирующего усилителя МУ1, нормирующего преобразователя НП1 на частоте до 1 МГц выделяется сигнал об измеряемом акустическом давлении и вибрации UA,V, а на частоте свыше 1 МГц с применением фильтра высоких частот ФВЧ1, высокочастотного усилителя ВЧУ1, выпрямителя ВП1 и нормирующего преобразователя НП2 выделяется сигнал о температуре рабочего пьезоэле-мента UТПЭ1. Из электрического сигнала с виброкомпенсирующего пьезоэле-мента с использованием усилителя заряда УЗ2, масштабирующего усилителя МE2, нормирующего преобразователя НП4 на частоте до 1 МГц выделяется сигнал о вибрации UV, а на частоте свыше 1 МГц с применением фильтра высоких частот ФВЧ2, высокочастотного усилителя ВЧУ2, выпрямителя ВП2 и нормирующего преобразователя НП3 выделяется сигнал о температуре вибро-компенсирующего пьезоэлемента UТПЭ2. Далее электрические сигналы UA,V, UV, UТПЭ1 и UТПЭ2. поступают на аналоговые входы микроконтроллера, который для снижения температурной погрешности измерения реализует следующие задачи:
Определение импульсной переходной функции
Из результатов натурного эксперимента выявлено, что в первые 0,5 -1 с после начала термоудара из-за мгновенной деформации мембраны наблюдается скачок выходного напряжения с 4,7 до 5,2 мВ. Затем в связи с пироэффек-том в рабочем пьезоэлементе из-за высокоградиентного изменения его температуры и пьезоэффекта в рабочем пьезоэлементе от его деформации из-за различий коэффициентов теплового линейного расширения элементов датчика уровень сигнала понижается до 4,2 мВ. Снизить дополнительную температурную погрешность пьезодатчика на этом временном отрезке с использованием моделирования функционирования пьезодатчика на основе описания физических и технических свойств пьезодатчика весьма затруднительно в силу сложности учёта и математического описания физических процессов и повторяемости их воздействия (пироэффект, повторный пьезоэффект, мгновенная деформация мембраны, температурные переходные процессы в элементах конструкции пьезодатчика и др.), поэтому на этом временном отрезке используется методика восстановления сигнала пьезодатчика.
Далее на протяжении времени с 16 по 190-210 с из-за различий температур рабочего и виброкомпенсирующего пьезоэлементов выходной сигнал датчика возрастает, а затем, по мере выравнивания температур пьезоэлементов, снижается. Начиная с 190-210 с переходные процессы в пьезодатчике, связанные с термоударом, завершаются.
С 60 по 160 с требования нормативно-технической документации о том, что значение КТ должно соответствовать диапазону (0,6… 1,2) не выполняются.
В соответствии с предлагаемой методикой снижения температурной погрешности измерения перед эксплуатаций пьезодатчика проводятся нижеприведённые работы. 1) С требуемой частотой дискретизации снимается временная зависимость выходного сигнала об измеряемом акустическом давлении АРА при известных значениях АРА без термоударного воздействия и при термоударном воздействии с температурными изменениями, наиболее характерными для эксплуатации. 2) Определяются параметры математической модели процесса эксплуатации при термоударном воздействии, которая описывается уравнением вида: итАу(к) = (т,к,і)-иА(і) (3.1) z=0 где к, 1 = 0,1, 2,... - дискретные величины (отсчёты времени); UA(1) - выходной сигнал без термоударного воздействия; UT/(k) - выходной сигнал при термоударном воздействии; g(T,k,l), к = 0,1, 2, ...,/ = 0,1, 2, ...,к - импульсная переходная функция при термоударном воздействии с температурой Т.
Отличие между сигналами иА(1) и UT/(k) обусловлено только последствиями термоударного воздействия. Функционирование пьезодатчика исследовано при наиболее характерной для процесса эксплуатации пьезодатчика ДХС 525 температуре термоударного воздействия равной минус 180 С, поэтому далее параметр Т не учитывается.
С использованием полученных значений сигналов UА (/) и ит/ (к) вычисляются значения импульсной переходной функции g(k,l): g(kJ) = 2-\G(Z)-q(Z)k1dZ, (3 2) Значения g(kJ),Kn , а также значение коэффициента преобразования измеряемого акустического давления в выходной сигнал KП, определённое при изготовлении пьезодатчика, нормируются, преобразуются в цифровой код и заносятся в энергонезависимую память микроконтроллера вторичного пре образователя. При эксплуатации пьезодатчика по превышению заданного значения разности информативных относительно температуры значений амплитуд выходных сигналов с рабочего и виброкомпенсирующего пьезоэлементов определяется наличие термоударного воздействия.
Без термоударного воздействия скорректированное значение выходного сигнала вторичного преобразователя об измеряемом акустическом давлении, например, выходного напряжения Uf, вычисляется по формуле: Uf =Кп-КтГАРА. (3.5) При термоударном воздействии рабочей среды значение выходного сигнала об измеряемом акустическом давлении со скорректированной температурной погрешностью Uf (к) вычисляется с использованием определённых при настройке значений импульсной переходной функции g(k,I), и значений выходного сигнала UT/(k), путём решения системы (3.1) относительно UA(k). При g(k,l) 0, к = 0,1, 2,..., / = 0,1, 2, ...,к, решение определяется по формуле:
Максимальное различие значений и?(к), вычисленных с использованием системы (1), и полученных при эксперименте составило менее 1 %, а значений UA(1) и ис/(к) - менее 14%. Подробно синтез математической модели рассматривается в п. 3.3.
В соответствии с [82] длительность времени, в течение которого выходной сигнал пьезодатчика является неинформативным, характеризуется как время Т реакции средства измерений (время установления выходного сигнала). Обычно требования к величине Т для пьезодатчиков акустического давления не предъявляются.
На рисунке 3.10.а) представлена экспериментально снятая зависимость электрической ёмкости пьезоэлемента из модифицированного материала ЦТС-83Г при воздействии температуры в диапазоне от минус 180 С до 25 С. Из рисунка 3.10.а) видно, что значение ёмкости пьезоэлемента при изменении температуры в указанном диапазоне меняется на 70 % относительно значения при 25 С, что вполне достаточно для получения информативного сигнала для коррекции температурной погрешности [78].
На рисунке 3.10.б) представлены экспериментально снятые для схемы на рисунке 3.4 зависимости среднеквадратичных значений падений напряжений на выводах рабочего и компенсирующего пьезоэлементов из модифицированного материала ЦТС-83Г датчика динамических давлений при воздействии температуры в диапазоне от минус 180 С до 200 С при частоте 1 МГц синусоидального напряжения генератора Гсин и значениях электрических ёмкостей конденсаторов С1 – С4 равных по 50 пФ каждый (рис. 3.4).
Проверка коэффициента преобразования измеряемого акустического давления в выходной сигнал
В соответствии с требованиями п. 2.4.2 ОСТ величина амплитудного значение выходного напряжения от воздействия нижнего значения звукового давления должны превышать уровень собственных шумов на входе вторичного преобразователя пьезодатчика не менее чем в 3 раза. Величина экспериментально определенного уровня шума на входе вторичного преобразователя пье-зодатчика составила не более 0,04 мкВ. Из таблицы 4.2 видно, что это более чем в 3 раза меньше Uвых = 0,156 мкВ при минимальном акустическом давлении 0,3 Па (85 дБ), то есть вторичный преобразователь соответствует требованиям п. 2.4.2 ОСТ.
Проверка коэффициента термочувствительности при воздействии температуры рабочей среды с градиентом менее 200 С в час Коэффициент термочувствительности определён по методике, изложенной в п. 5.5.1 ОСТ при постоянной составляющей измеряемого давления равной 1 атм и динамической составляющей (пульсациях давления) равной 5 кПа с частотой 50 Гц. При измерениях пьезодатчик выдерживался 600 секунд в каждой температурной точке, причем в крайних температурных точках (минус 180, 250 С) – 30 минут. Пульсатор включался на 20 секунд при измерениях выходных сигналов пьезодатчика в каждой температурной точек. Схема опре 92 деления коэффициента термочувствительности приведена на рисунке 4.3. Из схемы видно, что с использованием переключателя обеспечено поочередное измерение выходных сигналов с рабочего ПЭ1, виброкомпенсирующего ПЭ2 пьезоэлементов пьезодатчика и вторичного преобразователя, а также подача с вторичного преобразователя на пьезоэлементы высокочастотного сигнала 1 МГц [53, 74]. Результаты проверки приведены в таблице 4.3.
Внешний вид собранной схемы по определению коэффициента термочувствительности и проверки коэффициента влияния медленноменяю-щегося (абсолютного) давления в диапазоне от 1 105 до 0,01 105 Па на коэффициент преобразования.
Из таблицы 4.3 и рисунка 4.4 видно, что при подключенном вторичным преобразователем выходной сигнал пьезодатчика ДХС 525 меньше зависит от изменений температуры рабочей среды. При использовании вторичного преобразователя уменьшен интервал изменения коэффициента термочувствительности: – п. 2.5.6 технических условий СДАИ.406231.036 ТУ на датчики давления ДХС 525 о том, что коэффициент термочувствительности в диапазоне от (25 + 10) оС до минус 180 оС не должен быть менее 0,5 и более 1,1; в диапазоне от (25 + 10) оС до 200 оС менее 0,8 и более 1,2.
Проверены изменения выходных сигналов пьезодатчика ДХС 525 (рисунок 4.5) при термоударных воздействия рабочей среды с температурами минус 180 и 95 С с градиентом температуры 200 С в секунду при атмосферном давлении и пульсациях давления 5 кПа с частотой 50 Гц и с подключенным вторичным преобразователем [53, 74].
По результатам эксперимента, которые приведены в таблицах Б.7 - Б.8 приложения Б, по формуле: и -ивых 8ТУ1= 8Ю(25С) -100, (4.3) U еых(25С) где 8ТУ1 - отклонение выходного сигнала от термоудара, %, рассчитаны значения отклонения выходного сигнала пьезодатчика и пьезодатчика с подключенным вторичным преобразователем. В соответствии с п. 2.4.5 ОСТ относительная основная погрешность пьезодатчика при доверительной вероятности 0,95 не должна быть более ± 12,2 % (± 1 дБ), в соответствии с п. 2.5.3 технических условий СДАИ.506231.036 ТУ должна быть в пределах от минус 8,8 до плюс 9,7 % (± 0,8 дБ).
Из результатов расчёта, которые приведены в таблицах Б.7, Б.8 Приложения Б видно, что значения отклонения выходного сигнала пьезодатчика ДХС 525 при термоударном воздействии рабочей среды, которые не нормируется ОСТ и техническими условиями на пьезодатчик ДХС 525, превышают допустимое значение относительной основной погрешности (при термоударном воздействии рабочей среды минус 180 С отклонение достигает до 67%, а при термоударном воздействии рабочей среды 95 С достигает до 35 %). То есть коэффициент термочувствительности достигает значений 1,67 и 1,35 соответственно, что не соответствует требованиям, предъявляемым ОСТ. Из результатов расчёта, которые приведены в таблицах Б.9, Б.10 Приложения Б видно, что отклонение значений выходного сигнала с подключенным вторичным преобразователем от термоудара, не превышает допустимое значение относительной основной погрешности и при термоударном воздействии рабочей среды минус 180 С составляет не более 3 %, при термоударном воздействии рабочей среды 95 С не превышает 2 %. то есть коэффициент термочувствительности не превышает значений 1,03 и 1,02 соответственно, что соответствует требованиям, предъявляемым ОСТ.