Метрологическое обеспечение создания датчиков давлений для ракетно-космической техники

УДК 531.082.73

Харлан А.А.

Метрологическое обеспечение создания датчиков давлений для ракетнокосмической техники

Проведен обзор и анализ метрологического оборудования,

предназначенного для испытания и аттестации датчиков акустических давлений и пульсаций давления. Определены перспективы развития испытательного оборудования.

Разработка и освоение нового поколения изделий и систем ракетнокосмической техники (РКТ) требует развития новой и модернизации существующей датчико-преобразующей аппаратуры (ДПА) [1-2]. В частности, для создания двигателей для ракет - носителей нового поколения головными разработчиками были подготовлены требования к ДПА, предназначенной для измерения силовых, тепловых параметров, параметров движения, которые предусматривают расширение диапазонов, повышения точности измерения и увеличение устойчивости к дестабилизирующим факторам. Так для датчиков, предназначенных для измерения пульсаций давлений в жидкостно-реактивных двигателях (ЖРД) основные технические требования следующие [3]:

- диапазон измерений (0,005-10)-105 Па;

- статическое давление до 250 МПа;

- частотный диапазон (0,5-150000) Гц;

- рабочие среды - водород, кислород, агрессивные и неагрессивные жидкости и газы, продукты сгорания;

- диапазон температур рабочих сред (15-3000) К;

-у

- виброускорение до 12000 м/с в частотном диапазоне (10-4000) Гц;

- погрешность измерений с виброкомпенсацией 3-10 %.

Для выполнения и подверждения указанных технических требований в процессе разработки и изготовления датчиков необходима испытательное и метрологическое оборудование, которое позволяет создать и сымитировать воздействия как измеряемых параметров, так и дестабилизирующих факторов во всех диапазонах. В общем случае для корректной имитации среды и условий функционирования датчиков, следует подвергать их одновременному воздействию нескольких факторов, например вибрациям и температуре, пульсациям давления и

виброускорениям и проч. К сожалению, такое комплексное воздействие требует сложной аппаратуры и испытательных стендов, которые дорогие и имеют значительные габариты, при этом они иностранного производства. Типичными представителями комплексной испытательной аппаратуры являются установки комбинированных испытаний фирмы IMV CORP, Япония, которые позволяют задавать одновременно несколько

воздействий, например вибрацию, удары, температуру и влажность [4]. Такое мультипликативное воздействие позволяет с одной стороны, значительно сократить время испытаний, а, с другой стороны, получить более объективную информацию по функционированию испытуемого изделия в реальных условиях. Но такой подход проведения совмещенных испытаний требует значительных затрат и может быть оправдан или при значительных объемах изготавливаемой продукции, например при производстве автомобилей, или при проведении длительных испытаний дорогостоящей сложной продукции, например двигателей, летной техники и проч. На практике в большинстве случаев экономически целесообразным является аддитивный подход, когда изделие подвергается

последовательным испытаниям.

При стендовых и летных испытаниях, а также при штатной эксплуатации изделий и систем РКТ возникает задача измерения пульсаций давления в жидких и газообразных средах. Поскольку быстропеременное давление, возникающее в агрегатах, где происходят различные тепловые процессы, является нежелательным явлением, вызывающим высокочастотную неустойчивость горения и приводящую к аварийным ситуациям, является «вредным» параметром. Эти процессы имеют место, как правило, в турбонасосных агрегатах ракетных двигателей и камерах сгорания ракетных и реактивных двигателей. Поэтому конструкторы таких изделий стараются снизить уровень быстропеременного давления. В результате соотношение амплитуды переменного давления и величины статического (медленноменяющегося) при измерениях датчиками полного процесса становится настолько малым, что амплитуда переменного давления выходит за пределы динамического диапазона измерения датчика и получение количественной информации о быстропеременном давлении становится невозможным.

В большинстве своем, для измерения быстропеременных давлений и пульсаций давления в РКТ используются пьезоэлектрические датчики (ПЭД) давления [1]. В ПЭД статическая составляющая давления «отфильтровывается» из-за принципа действия датчика (стекание заряда) и измерение выходного напряжения происходит на полную шкалу измерительного прибора, к которому он подключен.

С другой стороны такая особенность ПЭД делает невозможной их градуировку, калибровку и поверку традиционным способом при помощи грузопоршневых манометров, контроллеров и калибраторов, предназначенных для калибровки и поверки датчиков статических давлений.

Для оценки метрологических характеристик ПЭД быстропеременного давления разработаны специальные методики, основанные на

воспроизведении переменного давления в квазистатическом режиме на низкой частоте (40-50 Гц), при помощи гидравлического пульсатора - рис.

1. Амплитуда воспроизводимого давления измеряется специальными кварцевыми пьезодатчиками.

Поверяемый Эталонный

датчик датчик

Вибростенд

Рис. 1 - Пульсатор для испытания и поверки датчиков: 1-цилиндр, 2-поршень, 3-инерционный груз, 4-корпус, 5-основание, 6-пружина

Через боковой штуцер от гидравлического пресса подается масло, заполняющее полость А и каналы Б, по которым давление Рст передается на эталонный и поверяемый датчики. Пульсатор закрепляется на столе вибростенда. При колебаниях стола вибростенда поршень из-за своей инерционности совершает колебания относительно цилиндра и воздействует на жидкость в каналах Б. В результате на датчики, ввернутые в штуцера в верхней части пульсатора, воздействует одно и тоже давление, состоящее из статического Рст и переменного, амплитуда, частота и форма которого определяется этими параметрами колебаний стола вибростенда. Зная чувствительность эталонного датчика, подключенного к вольтметру легко определить амплитуду переменного давления в пульсаторе.

В качестве эталонного датчика применяется специальный кварцевый датчик (рис. 2).

Как отмечалось выше, пьезоэлектрические датчики не способны измерить статическое давление, т.к. заряды, возникшие на обкладках пьезоэлементов, быстро стекают из-за низкого сопротивления изоляции подводящих электрических цепей. Постоянная времени разряда при этом определяется произведением общего сопротивления пьезоэлементов на общую емкость.

В описываемом эталонном датчике весьма высокую постоянную времени разряда (около 2 мин.) удалось получить, используя специальные изоляционные материалы. Этой же цели служит и дополнительный конденсатор 3.

Все это позволило градуировать эталонный датчик в статическом режиме на грузопоршневом манометре.

Рис. 2 - Кварцевый датчик: 1-корпус, 2-чувствительный элемент (набор кварцевых пьезопластин), 3-конденсатор, 4-электрический разъем

Что касается зарубежных фирм, работающих в данном направлении, можно отметить такие, как «Kistler» и «РСВ» [5]. Эти фирмы применяют методику градуировки своих пьезоэлектрических датчиков в режиме одиночных импульсов давления или ступенчатого нагружения давлением с использованием эталонного датчика.

Достоинством такого метода является простота и небольшие габариты генераторов импульсного давления по сравнению с методом испытания в квазистатическом режиме. Однако реализация импульсного метода осложняется необходимостью применения прецизионных дорогостоящих приборов для точного измерения одиночных электрических импульсов, приходящих с датчика. Такие приборы появились сравнительно недавно. Это многоканальные цифровые запоминающие осциллографы, например, мод. TDS 220 фирмы «TEKTRONIK», США.

На рис. 3 показана схема установки (имеющей различные исполнения) для градуировки пьезодатчиков давления фирмы «РСВ». Так калибратор мод. 913В02 генерирует одиночные импульсы до 1380 бар в жидкости, а калибратор одиночных импульсов мод. 907А воспроизводит импульсы в газовой среде до 70 бар. Ступенчатое нагружение датчиков до 7000 бар в жидкости реализуется калибратором мод. 905А.

Величина давления ступени также измеряется эталонным датчиком (эталонные датчики проходят калибровку в Национальном бюро

стандартов США). Величина воспроизводимого давления измеряется эталонным пьезодатчиком и записывается запоминающим осциллографом.

Импульсный калибратор 913В02 представляет собой трубу, в которой находится подающий груз. Внизу трубы установлено устройство, состоящее из камеры с двумя посадочными гнездами под эталонный и поверяемый датчики. Камера заполнена силиконовой жидкостью, вверху камеры имеется пара поршень-цилиндр, верхняя часть поршня выступает из камеры на некоторое расстояние.

При ударе падающего груза по выступающему концу поршня в камере возникает импульс давления, действующий на эталонный и поверяемый датчики, сигнал с которых через согласующие усилители зарядов записываются на двухканальный запоминающий осциллограф.

Рис. 3 - Схема калибровки пьезоэлектрических датчиков с использованием гидравлического импульсного калибратора мод. 913В02

фирмы «РСВ»

Аналогичная схема градуировки применяется и на фирме «Kistler», где кроме импульсного генератора давления используется и гидравлический пресс (рис. 4).

Рис. 4 - Система калибровки пьезодатчиков фирмы «Kistler»

Сравнительный анализ методов градуировки ПЭД дает основание считать импульсный метод весьма перспективным из-за конструктивной простоты генераторов импульсного (ступенчатого) давления и появления новых цифровых мультиканальных запоминающих осциллографов. Преимущества этого метода по сравнению с традиционным-большая производительность градуировки и возможность автоматизации процессов регистрации и обработки результатов градуировки. Кроме того, появляется возможность создания портативных поверочных установок, что будет полезным для потребителей ПЭД быстропеременных давлений.

Описанные методы калибровки (поверки) ПЭД быстропеременных давлений в импульсном режиме являются перспективными, так как позволяют в значительной мере сократить время испытаний.

Библиография

1. Михайлов П.Г. Пьезодатчики быстропеременных, импульсных и акустических давлений / П.Г. Михайлов, В.И. Бутов, А.В. Гориш // Радиотехника - 1995, № 10. - С. 36-37.

2. Пьезоэлектрическое приборостроение: сборник в 3 томах Т.3. Богуш

М.В. Пьезоэлектрические датчики для экстремальных условий

эксплуатации. Ростов-на-Дону. Издательство СКНЦ ВШ, 2006. - 346с.

3. Лихачев В.Я. Техническая диагностика пневмогидравлических систем ЖРД /В.Я. Лихачев //М: Машиностроение, 1983.-204с.

4. Установки комбинированных испытаний каталог продукции фирмы IMVCORP, Япония.

5. Каталоги продукции фирм «Kistler» и «РСВ».

Harlan A.A.

Metrological assurance of a pressure sensor for rocket and space technology Abstract.

A review and analysis of metrology equipment for testing and certification of sensors of acoustic pressure and pressure fluctuations. The prospects of development of test equipment.

Keywords: Metrology. Test. Pressure. Acoustics. Calibration. Verification. Manometer.