CC BY
35
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ
Том XXIII 1992 № 2
УДК 533.6.071.08 : 531.787
ИЗМЕРЕНИЕ ПУЛЬСАЦИЙ ДАВЛЕНИЯ В ЯЧЕЙКЕ ХОНЕЙКОМБА С ПОМОЩЬЮ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ДАТЧИКОВ
В. В. Богданов, А. А. Казарян
Приведены результаты экспериментального определения пульсаций давления с помощью тонкопленочных емкостных и индуктивных датчиков давления на стенке ячейки хонейкомба, установленного в аэродинамическом канале.
Исследование нестационарных, процессов при обтекании тонких аэродинамических профилей и при течении газа в различных аэродинамических каналах основано на измерении пульсаций давления в потоке и на поверхности. Применяемые для этих целей средства измерений являются многоканальными измерительно-регистрирующими системами, состоящими из измерительных преобразователей давления (например, индуктивных, типа ДМИ-0,6-2 [1]), быстродействующих аналого-цифровых преобразователей, универсальных ЭВМ, аппаратуры точной магнитной записи. Дальнейшее развитие указанных исследований сдергивается отсутствием малогабаритный измерительных преобразователей давления с необходимой чувствительностью, пространственной разрешающей способностью и частотным диапазоном, которые можно размещать на тонких профилях без нарушения их прочности. Для этих целей применимы тонкоплёночные емкостные датчики давления [2, 3].
Конструктивно датчики выполняются в одиночном или матричном исполнении с числом чувствительных элементов на одной подложке от одного до десяти. Они получили наименование матричных емкостных пленочных датчиков давления с твердым или газообразным диэлектриком. Ниже рассматривается четырехслойный датчик с газообразным диэлектриком (ДЕГ-4), состоящий из изоляционной пленки с экраном (первый слой), основания датчика с обкладками, экраном и выводами для съема сигнала (второй слой), перфорированной пленки с газообразным диэлектриком (третий слой), пленки с чувствительными элементами (мембранами), на которые нанесены обкладки, экран и общий вывод для подачи напряжения поляризации (четвертый слой). Пленки между собой и датчик к поверхности модели крепятся клеем. Перфорация применена для повышения чувствительности датчика. Подробное описание конструкции датчиков типа ДЕГ-4 приводится в работе [2].
Датчики использовались для определения пульсаций давления на стенках прямоугольных ячеек хонейкомба размером 50 X 50 мм, установленного в газовоздушном канале. Рядом с тонкопленочными датчиками на стенках имелись дренажные отверстия диаметром 2 мм, соединА-ные пневмотрубкой с тем же диаметром и длиной 25 см с индуктивными преобразователями ДМИ. В последних были размещены устройства согласования акустического импеданса промежуточной полости перед мембраной с волновым сопротивлением пневмотрассы и устройства акустической коррекции АЧХ полости переменного давления. Схема расположения датчиков ДЕГ-4 и дренажных отверстий на стенках хонейкомба приведена на рис. 1.
Пульсации давления измерялись в ячейке хонейкомба при разной скорости в гладком канале и в канале с интерцептором. Установлено, что в гладком канале на нижней стенке хонейкомба с ростом скорости потока от 40 до 155 м/с амплитуда пульсаций давления возрастает со 143 до 165,4 дБ, при этом расхождение в результатах измерений индуктивными и тонкопленочными датчиками не превышает 2,6 дБ. На верхней стенке при том же увеличении скорости потока амплитуда пульсаций давления возрастает с 143,4 до 161,7 дБ. В канале с интерцептором, имеющим форму сегмента, амплитуда пульсаций давления в ячейке хонейкомба при тех же скоростях потока увеличивается от 148,3 до 170 дБ, при этом отличие в амплитудах пульсаций давления, измеренных индуктивными (№ 1 и 2) и тонкопленочными (№ 1 — 1 и № 1—2) датчиками, не превышает 0,5—2,9 дБ.
Результаты измерения представлены в таблице:
Тип датчика Пульсации давления в дБ при скорости потока в м/с
40,5 65 85 155’ 40,5 65 85 155
Гладкий канал Канал с интерцептором
Пленочный № 1—1 - 143,3 ' 148,6 156,3 1593 151 161,8 168,7 170,6
ДМИ № 1 144,1 147,0 157,7 161,7 152,5 159,1 168,1 170,3
Пленочный № 1-2 143,6 146,4 156,9 158,8 148,5 155,2 162,4 168,4
ДМИ X* 2 143,4 149 157,3 161,7 — — 164,1 169,9
Через год, после доработки конструкции, а также технологии изготовления и наклейки пленочных датчиков, испытания были повторены. Из рис. 2 видно, что результаты первых и повторных измерений имеют качественное Соответствие. Количественное расхождение частично объясняется нестабильностью чувствительности измерительного канала с пленочными датчиками. Зависимости чувствительности измерительных каналов от давления, полученные в лабораторных условиях до и после испытаний, показаны на рис. 3. После эксперимента чувствительность упала на 5—10%, объяснением этому может служить повышенная влажность при испытаниях хонейкомба и вызванное этим снижение сопротивления изоляции между датчиками и относительно земли с 10'2 до 10‘° Ом.
Рис. 1. Расположение датчиков на стенках ячейки хонейкомба:
а — на верхней стенке; б — на нижней стенке; Н----датчик ДЕГ-4
О — дренаж
Рис. 2. Зависимость пульсаций давления на ячейках хонейкомба:
• — эксперимент 1986 г., пленочный датчик 1 — 1 с интерцептором; ■ — эксперимент 1987 г., пленочный датчик 1—2 (нижняя стенка); 0 —ДМИ-0,6-2 № 2 (верхняя стенка); О — пленочный датчик 1 — 1 (верхняя стенка); Д — ДМИ-0,6-2 № 2 с интерцептором (верхняя стенка)
Для проверки виброчувствительности датчик ДЕГ-4 был наклеен на поверхность заглушки диаметром 40 мм и толщиной 8 мм, прикрепленной к наружной поверхности канала в месте, где ожидался максимальный уровень вибраций. Вибросигнал датчика (рис. 4) определялся при разных скоростях потока в канале с интерцептором и без него. При скоростях потока 40,5—155 м/с максимальный уровень вибросигнала в первом случае не превышал 124 дБ, а во втором случае 115 дБ. При этом на внутренних стенках хонейкомба зарегистрированы пульсации давления величиной 143—170 дБ.
Динамическая градуировка датчиков ДЕГ-4 осуществлялась при помощи датчика пульсаций давления синусоидальной формы с частотой 85 Гц, одновременно воздействующих на датчики ДЕГ-4 и ДМИ-0,6-2. Уровень пульсаций устанавливался по указателю скорости КУС-1200. Сигналы датчиков ДЕГ-4 и ДМИ-0,6-2 через предварительный усилитель, усилитель напряжения, измерительный усилитель (микрофонный), узкополосный пропускающий фильтр (ППФ) поступали одновременно на индикаторы напряжения и осциллограф С1-48Б.
Фотографии градуировочных сигналов на экране осциллографа для каналов с емкостным и индуктивным датчиками приведены на рис. 5. На рис. 5, а показан сигнал канала с датчиком
Рис. 3. Зависимости чувствительности измерительных каналов от давления: в —до испытаний: X — после испытаний
Рис. 4. Вибросигналы датчиков:
/ — в гладком канале; 2 — в канале с интерцептором
Рис. 5. Градуировочные сигналы на экране осциллографа для каналов
с датчиком ДЕГ-4
(а — без фильтра, б — с фильтром) и с датчиком ДМИ-0,6-2 (в — без фильтра,
г — с фильтром)
ДЕГ-4 без фильтра (частота 85 Гц, амплитуда контрольного сигнала 151 дБ, нестабильность ± 1—1,5 дБ), на рис.-5, б — сигнал этого же канала с фильтром. Он совпадает с сигналом канала с датчикам ДМИ-0,6-2 без фильтра. Сигнал канала с датчиком ДМИ и фильтром приведен на рис. 5, г.
Частотный диапазон датчика типа ДЕГ-4'определен в ударной и резонансной трубах. При этом зарегистрирована амплитудно-частотная характеристика неравномерности от 1,5 до 2,5 дБ в диапазоне частой 10—70 Гц и от ± 1 до 1,5 дБ — в диапазоне частот от 70 Гц до 20 кГц. Предельный диапазон частот от 10 Гц до 20 кГц в данном случае, обусловлен частотным диапазоном применявшейся в опытах измерительной аппаратуры. Спектральные характеристики пульсаций давления на верхней стенке хонейкомба с интерцептором, измеренные контрольным (ДМИ-0,6-2 № 1, рис. 6, а) и пленочным (ДЕГ-4 № 1 — 1 рис. 6,6) датчиками, качественно близки. На рис. 6, а и 6, б кривые / — среднее значение выходного сигнала.
Известно, что величина помехи определяется условиями эксплуатации и никак не связана с диапазоном измерения данного преобразователя [4]. Уровень электромагнитных помех в разных объектах зависит от степени помехоустойчивости исследуемого объекта. Уровень помех» в канале с датчиком ДМИ-0,6-2 без ППФ в диапазоне частот от 50 Гц до 18 кГц составлял 95—100 дБ, в канале с датчиком ДЕГ-4—100—115 дБ. Для измерительных каналов с емкостными датчиками характерны низкочастотные помехи (45—280 Гц). Уровень электромагнитных помех в измерительном канале с пленочным датчиком составлял 110—115 дБ, что на 5 дБ больше, чем в. канале с индуктивным датчиком. Такое отличие уровней помехи объясняется тем, что у пленочных датчиков сопротивление на выходе равно примерно 109 Ом, а у полупроводниковых и индуктивных датчиков давления — примерно 103 Ом. Суммарное значение электромагнитных и вибрационных помех в измерительном канале с пленочным датчиком достигало 115—127 дБ. Способ защиты тонкопленочных датчиков от внешних электромагнитных помех приводится в работе [5].
Основные характеристики аппаратуры с тонкопленочным емкостным датчиком ДЕГ-4 следующие:
Датчик
Толщина мембраны, мкм . . . ................ 20
Размеры чувствительного элемента, мм2................. . . 6X9
Емкость, пФ........................ . . • . 15... 20
Уровень шумов на выходе, В.....................................1 • 10_6
Рабочий диапазон температуры, °С...............................—25... + 150
Аппаратура
Напряжение поляризации, В . ................ 100
Коэффициент преобразования —£-/ р, ............................6-10~9
Выходное сопротивление нагрузки, Ом............................109
Пределы измерения пульсаций давления, Па....................... 20 ... 20 ООО
Рабочий диапазон частот, Гц....................................10 ... 20 ООО
Среднее квадратическое отклонение нелинейности аплитудной
характеристики (до 500 Па), %................................0,2 ... 0,33
Рабочий диапазон температуры, °С...............................—60...+150
Температурный коэффициент нестабильности выходного сигнала, 1/°С.....................................................10~3
При повторных испытаниях бывали отказы пленочных датчиков. При скорости потока 155 м/с нарушалась адгезия между слоями пленки и между датчиком и поверхностью. Поэтому приведенные на рис. 2 результаты не соответствуют количеству установленных на стенках хонейкомба датчиков (см. рис. 1).
Пленочный датчик пригоден для измерения пульсаций давления в диапазоне 130—170 дБ при частотах от 10 Гц до 20 кГц. Нижний предел пульсаций определяется уровнем электромагнитных помех.
Использование пленочной подложки для нескольких .чувствительных элементов позволяет устранить возможность отрыва потока вблизи каждого из них.
Пленочные датчики могут найти применение в аэродинамике, машиностроении, энергетике; акустике, медицине, нефтяной, химической промышленности1 и т. д.
ЛИТЕРАТУРА
1. А. с. 241764 СССР. Аэрометрический приемник для измерения нестационарных давлений / Богданов В. В.— Опубликовано в БИ, 1962, № 14.
2. Казарян А. А., Игнатов А. В., Фалько И. И. Тонкопленочные емкостные датчики для измерения пульсаций давления // Приборы и системы управления.— 1988,- № 7.
3. Р о г t a t М., Chatanier М. Les capteurs pelliculaires de pression et leurs applications // La Recherche Aerospatiale.— 1982. N 3.
4. Гр нш ко в О. В., Морозова А. Н., Ро Ю. И. Измерительные преобразователи для термопар и термометров сопротивления Ш78, Ш79 // Приборы и системы управления.— 1986. № 11.
5. К а з а р я н А. А. Некоторые свойства пленочного емкостного датчика давления // Приборы и системы управления.— 1990. № 8.
Рукопись поступила 19/1 1990 г.
