CC BY
27
УДК 368.3.068
Чукарева М.М., Бадеева Е.А., Мурашкина Т.И.
ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ АТТЕНЮАТОРНОГО ТИПА
В работах [1-3] рассмотрены волоконно-оптические датчики давления (ВОДД), разработанные в НТЦ «Волоконно-оптическое приборостроение». После процесса разработки, изготовления и сборки датчиков начинается не менее сложный этап испытаний, требующий правильного подхода. Грамотная постановка задачи, изучение априорной информации, выбор необходимых средств, условий измерений и методов обработки результатов измерений - все эти проблемы возникают у каждого разработчика на стадии исследования ВОДД. Авторы данной статьи предлагают методику выполнения экспериментальных исследований ВОДД аттенюаторного типа, подробно описывающую каждый этап Ключевые слова:
волоконно-оптический датчик, экспериментальные исследования, функция преобразования, градуиро-вочная характеристика, функция влияния, температура
На первом подготовительном подэтапе измерений «постановка измерительной задачи» ставится вопрос «что измерять?». Для проведения измерения необходимо указать на каком объекте, какую величину, в каких условиях, с какой погрешностью, когда и за какое время и т. д. требуется измерить, т. е. задать компоненты конкретной измерительной задачи [4].
На втором подготовительном подэтапе измерений «планирование измерительного эксперимента» в со-
ответствии с измерительной задачей, разрабатывают план измерительного эксперимента, уточняющий вопрос «как измерять?».
На этом этапе проводят выбор метода измерений, необходимых средств измерений, определяют оператора, который может выполнить измерительный эксперимент, уточняют (разрабатывают, выбирают) методику использования выбранных средств измерений, методику и средства обработки экспериментальных данных (рисунок 1).
Рисунок 1 - Схема первого этапа измерительного эксперимента
Разработку плана измерительного эксперимента осуществляют на основе априорной информации, накопленной до постановки задачи и из содержания самой задачи.
На втором этапе идет процесс реальных (физических) преобразований, связанных с физическим взаимодействием выбранных средств измерения с объектом, внешними условиями и наблюдателем (рисунок 2).
Рисунок 2 - Схема второго этапа измерительного эксперимента
На третьем этапе проводят обработку полученной измерительной информации на основе имеющейся априорной информации с использованием (или без)
вспомогательной вычислительной техники по выбранной методике обработки результатов (рисунок 3).
Рисунок 3 - Схема третьего этапа измерительного эксперимента
Вначале осуществляется снятие градуировочной характеристики (ГХ) в нормальных условиях. Фактические значения всех параметров, характеризующих условия проведения эксперимента, фиксируются в протоколе испытаний и в течение эксперимента остаются неизменными.
С помощью специального градуировочного оборудования задаются эталонные значения давления
Рг, Р2, ..., Ртах и фиксируются значения выходного сигнала иг( Рг), Р2),..., Утах(Ртах). Значения
давления Р± задаются последовательно в сторону их увеличения, а затем в сторону уменьшения. Цикл повторяется несколько раз (минимум 3 раза).
Для проведения исследований по определению ГХ было выбрано нижеперечисленное оборудование.
Портативный цифровой калибратор давления Метран ПКД-10, предназначенный для поверки и калибровки в условиях эксплуатации датчиков давления с унифицированными выходными сигналами, самопишущих манометров и других аналогичных приборов и устройств [6]. Пределы измерений калибратора давления от 0 до 1000 кПа,класс точности -0,05.
Гидравлическая ручная помпа КВТ ПМР-7 003 69284 с ручным приводом, изготовленная из высо-
кокачественных и прочных материалов, что гарантирует ее долгий срок службы. Максимально создаваемое давление Р—ах 700 бар (рисунок 4).
Сначала включаются все устройства и прогреваются в течение времени, установленного инструкцией по эксплуатации на данные приборы. Затем ручной помпой КВТ ПМР-7003 69284 создается необходимое давление и через тройник подается на ВОДД и на эталонный модуль давления. Подача давления Pi происходит от 0 до Рmax и от Ртах до 0 через каждые 0,1Рmax, где Рmax - максимальное значение диапазона измерений испытываемого ВОДД.
От оператора
ВОДД- волоконно-оптический датчик давления, ЭМД- эталонный модуль давления, ЭБ -электронный блок, МП-микропроцессор, БП — блок памяти
Рисунок 4 - Схема для снятия ГХ ВОДД аттенюаторного типа
В первой и последней точках градуирования датчик выдерживают под соответствующим давлением в течение 30-60 с. После чего электрические выходные сигналы с ВОДД и эталонного модуля давления, снятые в каждой ^й точке градуирования, передаются для обработки в электронный блок. Здесь с помощью микропроцессора производится обработка выходного сигнала ВОДД, а также линеаризация и температурная компенсация выходного сигнала модуля давления по коэффициентам, записанным в блоке памяти характеристик модуля.
Результаты обработки выходных сигналов эталонного модуля давления (Р) и исследуемого ВОДД (и(Р)) выводятся на 2-х строчное устройство индикации Метран ПКД-10, и могут быть записаны в блок памяти результатов измерений для хранения в нем.
Следует отметить, что подавать давление на датчик рекомендуется через разделитель, исключающий попадание масла и мусора в приемную полость датчика. Допускается подачу давления проводить воздухом или любым другим газом (гелием, азотом).
План экспериментов для определе
В реальных условиях эксплуатации датчиков воздействие оказывает не только давление, но и различные внешние влияющие факторы (ВВФ), например, температура. Поэтому при экспериментальных исследованиях ВОДД целесообразно проводить и испытания на воздействие температуры.
Функцию влияния (ФВ) ¥ ( Т,Р) определяют в виде формул, характеризующих зависимость систематической составляющей погрешности и дисперсии выходного сигнала от влияющей величины Т и входного сигнала Р.
Конкретный вид формул следует выбирать на стадии проектирования ВОДД, первоначально принимая:
,Р) = ®0+ ®гт+е2т2 + @3тр+®4т2р+@5Р , (1)
где 00, ..., 05 - коэффициенты ФВ температуры Т на значение измеряемой физической величины - давления Р.
В таблице 1 приведены значения мер Р и Т, воспроизводимых в процессе проведения эксперимента по определению ФВ.
ния коэффициентов ФВ
Таблица 1
Вид функции влияния Номер опыта
¥ (Т, P) 1 2 3 4 5 6
00 + 01Т Pl=Pср Т2 = Т-ах Р2=Рср
00+01Т+02Т2 Pl=Pср Т2 = Тср Р2=Рср Т 3—Т—ах Рз=Рср
0o+0lT+02TP Т1—Т-ап Т2 = Т-^п Р2=Ртах Т 3—Т—ах Т4 = Т—ах Р4=Ртах
0o+0lT+02T2+0зTP Т1—Тт^ Т2 = Т-^п Р2=Ртах Тз—Тср Т4 — Т ср Р4=Ртах Т5 — Т ср Р5— Рт^п Т 6—Т—ах Рб—Ртах
Для определения ФВ на вход СИр подается значение давления Р±, воспроизводимое с помощью средства воспроизведения измеряемой величины СВР, выходной сигнал снимается средством измерения выходного сигнала СИу. Значение меры контролируется с помощью образцового средства измерения измеряемой величины ОСИр, на вход которого подается сигнал, соответствующий значению давления Р, подаваемого с выхода образцового средства воспроизведения измеряемой величины ОСВР. Сигнал рассогласования поступает к оператору, который принимает решение об изменении значения меры, воспроизводимой СВр (рисунок 5). СИр подвергается воздействию ВВФ Т, значение меры ко-
торого воспроизводится средством воспроизведения влияющей величины СВТ и контролируется с помощью средства измерения влияющей величины СИт. Сигналы с выходов СИр СИу, СИт снимаются и фиксируются при необходимости оператором. Значения Р и Т соответствуют таблице 1.
Полученные в результате эксперимента значения выходного напряжения и и значения Р и Т подставляются в формулу выбранной ФВ. Полученная система уравнений решается относительно искомых коэффициентов ФВ 00, 01, 0, ...,+ 0п . В качестве модели ФВ Т на ВОДД аттенюаторного типа была выбрана следующая модель
Т) = 0О +®Т + 02Т2 . (2)
Рисунок 5
давления
Схема испытаний по определению ФВ фактора T на значение измеряемого давления Р
Для проведения исследований по определению ФВ температуры было выбрано следующее оборудование.
Камера тепла и холода MHU-800CSSA, диапазон воспроизводимых температур от минус 60°С до плюс 90°С, нестабильность поддержания заданной температуры ±0,1°С;
Термометр цифровой прецизионный DTI-1000, диапазон измеряемых температур от минус 50°С до плюс 650°С, пределы допускаемой погрешности ± (0, 03...0, 06) °С;
Цифровой терморегулятор СЫ117, диапазон измерения и регулирования температуры от минус 50 °С до плюс 110 °С. Точность измерения температуры 0,1°С в пределах от минус 9,9°С до плюс 99,9°С, в пределах от минус 50°С до минус 10°С и от плюс 100°С до плюс110°С - 1°С.
Разработана схема для проведения температурных исследований ВОДД аттенюаторного типа (рисунок
ЭБ - электронный блок, МП-микропроцессор, БП - блок памяти
Рисунок 6 - Структурная схема для проведения температурных исследований
На вход датчика с помощью калибратора давления Метран ПКД -10 подается давление Рl,...,Pmax, выходное напряжение и( Р) снимается с помощью электронного блока. Значение меры давления имитируется набором однозначных мер веса, контролируется с помощью эталонного модуля давления, на вход которого подается сигнал, соответствующий значению меры Р±, подаваемой с калибратора давления Метран ПКД-10. Сигнал рассогласования АР поступает к оператору, который принимает решение об изменении значения меры Р±, воспроизводимой калибратором давления.
ВОДД помещается в камеру тепла и холода MHU-800CSSA, где с помощью цифрового терморегулятора
СЫ117 и электротермопреобразователя задается температура в соответствии с требованиями технического задания. Затем датчик подвергается воздействию температуры Т, значение которой контролируется с помощью термометра DTI-1000. Сигналы с выходов СИр, СИУ, СИг снимаются и фиксируются оператором.
Авторами предлагается методика выполнения температурных исследований.
Провести оценку внешнего вида ВОДД на наличие дефектов и снять ГХ при нормальных условиях. Значения всех параметров зафиксировать в протоколе испытаний. Затем ВОДД поместить в камеру тепла и холода, снять ГХ, все показания занести
в протокол испытаний. В камере тепла и холода установить Т=50±30С, выдержать ВОДД при заданном значении температуры в течение 2ч, затем снять ГХ, контролируя выходное напряжение (выполнить данную операцию еще не менее 3 раз). Все параметры занести в протокол испытаний. Провести оценку внешнего вида ВОДД на наличие дефектов и снять ГХ. Значения всех параметров зафиксировать в протоколе испытаний. В камере тепла и холода установить Т=15±30 С и выдержать при этой температуре 2 ч. Провести контроль внешнего вида и контроль параметров, результаты контроля занести в протокол испытаний.
Используя результаты измерений, зафиксированные в протоколе испытаний, определить дополнительную погрешность от воздействия повышенной и пониженной температур и коэффициенты ФВ температуры, имеющей вид (2).
Датчик считается выдержавшим испытания, если при и после воздействии Т его параметры соответствуют требованиям технического задания.
Таким образом, правильно спланированные и грамотно проведенные экспериментальные исследования ВОДД не приведут к преждевременному отказу датчика.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мурашкина Т. И., Пивкин А. Г. Волоконно-оптические датчики давления аттенюаторного типа для космической техники: Монография. - Пенза: Издательский центр ПГУ- 2005. - 150c.
2. Савочкина М.М., Мурашкина Т.И. Разработка дифференциального волоконно-оптического датчика разности давления для первого контура атомного реактора // Вестник Пензенского государственного университета. - 2015. - № 4 (12). - C. 140-145.
3. Мурашкина Т.И., Савочкина М.М. Волоконно-оптический датчик гидростатического давления для резервуаров с нефтепродуктами//Надежность и качество - 2016: Статьи Международного симпозиума: в 2 т. под ред. Н. К. Юркова. - Пенза: Изд-во Пенз. ГУ, 2016. - 2 том - 387 с.- С.349-351.
4. Мурашкина Т. И., Техника физического эксперимента и метрология: Учебное пособие для вузов. -Изд. Политехника СПб, 2013. - 147с.
5. Вывод функции преобразования аттенюаторных волоконно-оптических датчиков разности давле-ний/И.С. Рубцов, А.В. Гориш, Т.И. Мурашкина, М.М. Савочкина // Надежность и качество - 2015: Труды Международного симпозиума: в 2 т. под ред. Н. К. Юркова. — Пенза: Изд-во Пенз. ГУ, 2015. - 2 том -387 с.- С. 69-73
6. Измерительная установка для проверки механической преобразующей системы волоконно-оптического датчика давления/ М. М. Савочкина, Д.М. Голев, Д.В. Митин// Научно-информационный журнал «Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе» 2014. № 2 (10) Стр. 140-145.
УДК 681.586 326
Самошин1 А.В, , Васильев2 В.А., Баранов1 А.С.
1АО «Научно-исследовательский институт физических измерений», Пенза, Россия
2ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ТЕМПЕРАТУР НА ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
В статье дана качественная оценка работы упругих элементов (УЭ) датчиков давления независимо от принципа преобразования в процессе воздействия нестационарных температур. Рассмотрены некоторые типы УЭ, нашедшие широкое применения в различных отраслях промышленности. Приведены типичные теплофизические свойства материалов, используемых при изготовлении большинства УЭ. Определено влияние основных геометрических размеров и теплофизических свойств упругого элемента на термоудар. Было определено, для работы в условиях термоударов малопригодными являются материалы, обладающие высокой теплоемкостью. Наилучшие показатели были зафиксированы у полупроводникового УЭ, помещенного в замкнутую полость с силопередающей жидкостью. Даны общие рекомендации по выбору типа УЭ, применяемым материалам и геометрическим (конструктивным) параметрам для улучшения точности измерения в процессе воздействия нестационарных температур
Ключевые слова:
датчик давления, упругий элемент, термоудар
В процесс эксплуатации датчиков давления происходит изменение температуры окружающей и измеряемой среды. В зависимости от скорости изменения температуры различают стационарный и нестационарный режим работы.
Стационарный температурный режим характеризуется малой скоростью изменения температуры с течением времени и с достаточной простотой компенсируется активным (с применением микропроцессорной техники) или пассивным (терморезисторы и др.) способами.
Наихудшим случаем условий работы датчика является нестационарное изменение температуры измеряемой среды, когда перепады температуры составляют десятки градусов за относительно малые временные промежутки (от долей секунд до нескольких десятков секунд). В результате такого воздействия образуется градиент температур и, как следствие, температурные деформации, величина которых меняется на различных участках. Компенсация температурных деформаций в данном режиме работы весьма затруднительна и в первую очередь будет определяться выбранными конструктивными решениями.
Основной путь передачи тепла от измеряемой среды - теплопроводность, которая определяется законом Фурье:
„ дТ
q = —К„ —,
4 п дп
где q - тепловой поток, Kn -проводности в направлении n, ператур.
(1)
коэффициент тепло-
дТ
— - градиент тем-
дп
Из (1) видно, что для нестационарного режима работы основными конструктивными решениями, определяющими влияние на выходные характеристики, будут являться физические свойства упругого элемента (УЭ) и присоединенных деталей, способных отводить и рассеивать тепловые потоки; габаритные показатели чувствительного элемента.
В настоящее время наиболее распространенными типами УЭ являются:
цилиндрические мембраны из керамики или металла (рисунок 1а);
кремниевые мембраны, находящиеся в замкнутом объеме, заполненном силопередающей жидкостью и отделенным от измеряемой среды разделительной мембраной (рисунок 1б);
мембранно-балочные элементы, соединяемые между собой штоком (рисунок 1в).
УЭ в виде цилиндрических мембран из керамики AI2O3 96% благодаря высокой химической стойкости и малой себестоимости изготовления нашли широкое применение в медицине и народном хозяйстве. Данный тип упругого элемента применяется в сенсорах серии DSK фирмы BD Sensor RUS [1]. Теплофизические свойства керамики AI2O3 96% приведены в таблице [2].
Достоинствами полупроводниковых УЭ, изготавливаемых, например, из кремния, можно считать малые габариты и высокую чувствительность. Теп-лофизические свойства кремния приведены в таблице [2].
