ПУЛЬСАТОР БЫСТРОПЕРЕМЕННОГО ДАВЛЕНИЯ
PULSATOR OF QUICK-CHANGING PRESSURE

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в качестве задатчика пульсаций давления (быстропеременного и звукового давления) и для калибровки пленочных и объемных датчиков пульсаций давления.
Известно устройство для градуировки датчиков пульсаций давления. Устройство содержит объект, пленочный датчик, уплотняющее резиновое кольцо, металлический стакан, расположенный снаружи эталонный датчик любого типа с погрешностью измерения 0,2-1,0%. Вход генератора пульсаций соединен с источником сжатого воздуха, а выход - со стаканом через трубку. Стакан крепится (держится) на объекте, например, ручным способом. Сигналы эталонного и пленочного (калибруемого) датчиков после усиления регистрируют в цифровом и аналоговом виде. Форма сигналов контролируется по осциллографу. Предварительный усилитель защищают от влияния внешних воздействий.
Такое устройство позволяет калибровать датчики пульсаций давления любого типа [Казарян А.А. Пленочные датчики давления. - М.: Бумажная галерея, 2006. - стр.245-246].
К недостаткам устройства можно отнести следующее: не все помещения оснащены сетью (трубопроводы) или камерами сжатого воздуха, затруднена стабильная подача и поддержка сжатого воздуха в камере, где находится эталонный и калибрируемый датчики.
Наиболее близким к предложенному изобретению техническим решением является сильфонный пульсатор быстропеременного давления с «эксцентриковым» приводом, содержащий шток, рабочую камеру, внутренний сильфон, камеру противодавления, хладагент, эталонный и калибруемый датчики пульсации давления, электронагреватель и эксцентрик.
Сильфонный пульсатор быстропеременного давления - это устройство, основным элементом которого является рабочая камера, состоящая из сильфона, передающего энергию рабочей среды в виде колебаний при изменении его объема. В рабочую камеру, основным элементом которой является внутренний сильфон, из магистрали подается газ, шток, находящийся в крайнем нижнем положении, упирается в эксцентрик, на 180° шток поднимается в крайнее верхнее положение и сокращает длину сильфона а, следовательно, уменьшается и его объем. Из-за уменьшения объема сильфона давление в камере увеличивается. Выходное напряжение эталонного и калибруемого датчиков контролируется вольтметром и осциллографом. [Федяков Е.М., Колтаков В.К., Богдатьев Е.Е. Измерение переменных давлений. - М:. Издательство «Стандартов» - стр.47-48, рис.27].
Такое устройство позволяет калибровать датчики пульсаций давления любой модификации.
К недостаткам устройства можно отнести следующее: эта конструкция сложная, требуются большие затраты для проведения калибровки датчиков.
Техническим результатом настоящего изобретения является расширение области применения и сокращение затрат в процессе калибровки датчиков пульсаций давления.
Технический результат достигается тем, что в пульсатор быстропеременного давления, содержащий сильфон, эталонный и калибруемый датчики давления, расположенные внутри рабочей камеры пульсаций давления сильфона, вход эталонного датчика через аппаратуру низкой частоты соединен с вольтметром и осциллографом, при этом выход калибруемого датчика через согласующий усилитель заряда и нормирующий усилитель тоже соединен с вольтметром и осциллографом, дополнительно введены вибростенд, содержащий стол, блок управления, состоящий из генератора синусоидальных колебаний, схемы подмагничивания, усилителя мощности, а также соединительные элементы в виде шпильки, гайки, основание из дюралюминия, кольцо, скоба, съемный держатель, стакан, резиновое кольцо, два крепежа, причем в блоке управления генератор синусоидальных колебаний, схема подмагничивания и усилитель мощности соединены между собой и со схемой возбудителя, рабочим столом через шпильку, гайку, и основание соединены с сильфоном, конец сильфона скреплен с кольцом, кольцо скреплено двумя винтами со скобой, причем скоба четырьмя винтами скреплена с вибростендом, внутри рабочей камеры расположен съемный стакан и кольцо скреплено со скобой двумя винтами, пазы съемного держателя находятся между верхней поверхностью скобы и двумя крепежами из стали, крепежи жестко закреплены на поверхности скобы, причем съемный стакан расположен внутри рабочего объема сильфона, а между стаканом и кольцом из дюралюминия расположено резиновое кольцо.
На фигуре показана конструкция пульсатора быстропеременного давления с блок-схемой измерения пульсаций давления и управления устройства.
/
Устройство содержит вибростенд 1, в состав которого входит стол 2, скрепленный с вибростендом винтами 3 по окружности, винтами 4, шпилькой (осью) 5, гайкой 6. Стенд также содержит основание 7 (подвижный торец) сильфона 8, кольцо 9, два винта 10, скобу 11, съемный держатель 12, два крепежа 12, съемный стакан 13, резиновое кольцо 14, калибрируемый пленочный датчик давления 15, эталонный датчик 16. Блок-схема управления представляет собой электродинамический возбудитель вибростенда 17, в состав которого входит схема подмагничивания 18, усилитель мощности 19, генератор синусоидальных колебаний 20. В блок-схему измерения пульсаций давления входит аппаратура низкой частоты 21, согласующий усилитель заряда 22, нормирующий усилитель 23, вольтметр 24 и осциллограф 25.
/
/
/
Элементы конструкции между собой связаны следующим образом: на корпус вибростенда 1 с помощью четырех винтов 4 крепят скобу 11, расстояние между винтами 4 с левой и правой стороны по длине 179 мм, по ширине 73 мм. Эти размеры характерны для возбудителя типа ВЭДС-10А отечественного производства. Стол 2 с винтами 3 входит в состав вибростенда 1. Шпильку (ось) 5 к столу 2 вибростенда 1 крепят с помощью гайки 6. Основание сильфона 7 и кольцо 9 между собой соединены сильфоном 8 и скреплены герметичным конструкционным клеем на основе эпоксидной смолы К. Кольцо 9 и скоба 11 соединены между собой двумя винтами 10. Съемный стакан 13 помещают внутри сильфона 8, где образуется рабочая камера пульсаций давления. Внутри стакана 13 смонтирован эталонный датчик 16 заподлицо со стаканом и испытуемым пленочным датчиком давления 15. Герметичность и регулирование объема рабочей камеры (внутри сильфона 8) обеспечивает резиновое кольцо 14. Оно может быть разной толщины (1-5 мм). Неподвижность (статическое состояние) съемного стакана 13 обеспечивают съемным держателем 12 с двумя крепежами 12. Пазы (усики) съемного держателя входят между крепежами 12 и поверхностью скобы 11. Крепеж на поверхности скобы 11 закреплен клеем или сваркой. Материал скобы 11 и крепежа 12 - сталь. Основание сильфона 7, съемного стакана 13 и съемного держателя 12 изготавливают из дюралюминия. В состав вибростенда 1 входит генератор синусоидальных колебаний 20, схема подмагничивания 18, усилитель мощности 19. Выходы блоков 18, 20 соединяют с входами усилителя мощности 19. Выходы блоков 18, 20 через блок 19 соединяют с входом вибростенда 1. Совокупность вибростенда, генератора синусоидальных колебаний, схемы подмагничивания и усилителя мощности в виброизмерительной технике известна как стенд вибрации. Далее выход эталонного датчика 16 соединен с входом аппаратуры низкой частоты 21 4АНЧ-22, разработанной в ЦАГИ. Вход блока 21 соединен с вольтметром 24 и осциллографом 25. Эталонный датчик выбирают малогабаритный любого типа, микрофон - полупроводниковый, емкостный и т.д.
Выход тонкопленочного емкостного датчика 15 через согласующий усилитель заряда 22, нормирующий усилитель 23 соединяют с вольтметром 24 и осциллографом 25. Согласующий и нормирующий усилители широко распространены в отечественной и зарубежной измерительной технике.
Функционирование пульсатора быстропеременного давления
Основным элементом устройства является рабочая камера, состоящая из сильфона 8 и съемного стакана 13. Пульсации давления в камере создаются за счет изменения ее объема в результате перемещения нижнего торца сильфона, показанного стрелками на фигуре. Величина давления в рабочей камере, т.е. внутри сильфона, зависит от величины смещения ℓ (фигура) подвижного торца сильфона и совпадает с перемещением стола 2 вибростенда с вертикальной осью 5. Предполагается, что процесс, проходящий в сильфоне, адиабатичный. В рабочей камере установлен съемный стакан 13 с датчиками 15, 16. С противоположной стороны на рабочую камеру сильфона 8 через шпильку 5, стол 2 вибростенда 1 действует переменное магнитное поле. В результате перемещения сильфона внутри него возникает переменное синусоидальное давление. Магнитное поле создается генератором синусоидальных колебаний 20 и усиливается в усилителе мощности 19. Электромагниты, находящиеся внутри вибростенда 1, возбуждаются с подачей сигнала с помощью схемы подмагничивания 18 и усилителя мощности 19. Схема подмагничивания 18 питает стабилизированным постоянным током катушку подмагничивания внутри вибростенда 1. Блок управления 17 решает задачу снижения и фильтрации низкочастотных шумов.
-6
m
m
1
1
2
2
1
1
2
2
2
1
Ток подвижной катушки внутри вибростенда электродинамического типа взаимодействует с постоянным магнитным полем и создает толкающую силу. Величина этой силы известна из виброакустики и определяется по формуле F=0,102 10BIL [кГс], где В - индукция в воздушном зазоре, Гс; I - сила тока в подвижной катушке, А (амплитудное значения); L - длина проводника подвижной катушки, см. Если по обмотке подвижной катушки пропускают синусоидальный ток, то колебание стола вибростенда тоже будет синусоидальным. При движении стола вибростенда с осью увеличивается и уменьшается рабочий объем сильфона. С изменением рабочего объема в камере давление изменяется на некоторую величину. Значение этого давления приблизительно можно определить по закону Бойля-Мариотта [2] как P V=P V, где P, V - давление и объем в начальный момент времени; Р, V - давление и объем после деформации сильфона. Давление при деформации сильфона P=P+ΔР, тогда амплитуда (размах) колебаний определяется как
1
1
1
При непрерывной деформации сильфона в рабочем объеме (объем внутри сильфона) будет изменятся давление от P до P+ΔP по синусоидальному закону. Это давление воздействует одновременно на эталонный и испытуемый датчики с частотой деформаций сильфона.
Принцип работы устройства. При воздействии вибрации на вибростенд 1 через блок управления 17 стол 2 с сильфоном 8 колеблется. В частности, колебания могут быть синусоидальной формы. Колебание стола 2 через ось 5 и основание 7 передается сильфону 8. Благодаря деформации сильфона 8 в рабочей камере давления возникают пульсации давления тоже синусоидальной формы размахом ΔР. В результате воздействия давления ΔР на эталонный 16 и испытуемый 15 датчики мембраны этих датчиков деформируются и на их выходе возникает электрический сигнал. После усиления, нормирования в аппаратуре низкой частоты 21 определяют давление в рабочей камере как
вых
где S - заранее известное значение коэффициента преобразования эталонного датчика пульсации давления 16; U - напряжение на выходе аппаратуры низкой частоты 21. Одновременно сигнал с выхода емкостного датчика 15, проходящий через согласующий 22 и нормирующий 23 усилители, измеряют вольтметром 24 и осциллографом 25 и определяют коэффициент преобразования испытуемого пленочного датчика давления 15 как .
-4
2
в
н
эф
эф
В ЦАГИ для проведения экспериментального исследования с целью разработки пульсатора быстропеременного давления был выбран вибрационный электродинамический стенд ВЭДС-ЮА. В качестве формирователя пульсаций давления был выбран бесшовный тонкостенный (толщиной 0,3 мм) гофрированный сильфон. Число гофров 9, материал Бр, модуль упругости 1,35·10 кгс/мм. Особенностью сильфона является постоянство эффективной площади на рабочем участке характеристики. Эффективную площадь сильфона определяют как  где средний радиус сильфона , R, R - внутренний и наружный диаметры сильфона. Изменение объема внутри полости сильфона вычисляется как Δv=Fl, где l - перемещение сильфона с осью 5. Изменение объема внутри полости сильфона вычисляется в соответствии с выражением Δv=Sl.
При макетировании экспериментального образца устройства были использованы эталонный полупроводниковый датчик с коэффициентом преобразования 0,7 мВ/Па, при коэффициенте усиления аппаратуры 4АНЧ-22666,7 и напряжении питания 5В. Сигналы с выхода испытуемого пленочного датчика были усилены и согласованы согласующим усилителем заряда при напряжении поляризации датчика 100В. Выходной сигнал в обоих случаях контролировался вольтметром и осциллографом. Характеристики сильфоного пульсатора давления исследовались в диапазоне частот от 30 до 300 Гц. С изменением тока подмагничивания вибратора от 0,1 до 2,0В давление в рабочей камере изменялось от 8 Па (112 дБ) до 200 Па (140 дБ). При давлении в рабочей камере 200 Па, коэффициенте усиления измерительного канала 2000 было зарегистрировано выходное напряжение 100 мВ.
Таким образом, решения поставленной задачи достигают путем использования известных вибраторов отечественного и зарубежного производства. Расходы снижаются за счет того, что на этом вибраторе кроме калибровки датчиков пульсаций давления также калибруют акселометры, проверяют виброчувствительность, прочность датчиков и других изделий электронной техники.