Аэродинамическая труба АТ-11 СПбГУ: измерение дифференциальных быстропеременных давлений

В статье речь идёт о выборе преобразователей и датчиков для измерения быстропеременного дифференциального давления в дозвуковых потоках. Несмотря на то, что некоторые типы датчиков, например, ДМИ и вторичные преобразователи к ним, давно известны, датчики не нашли широкого применения в аэродинамическом эксперименте. Возможное этому объяснение — сложности в динамической тарировке датчиков. В настоящей статье авторы остановились, при выборе датчиков, на датчике ДМИ и современных вторичных преобразователях к ним. В дальнейшем выбранная измерительная аппаратура внедрена в измерительные технологии на дозвуковой аэродинамической трубе АТ-11 и выполнено метрологическое обеспечение аппаратуры при измерении быстропеременного давления.

Ключевые слова:дозвуковая аэродинамическая труба, быстропеременное давление, микрофоны поверхностного давления, акустические и пьзоэлектрические датчики, индуктивные датчики и преобразователи, датчики МЭМС, спектральный анализ.

В настоящее время промышленность предлагает достаточный выбор измерительных преобразователей давления (ИПД) — микрофонов, индуктивных датчиков, пьезоэлектрических и акустических датчиков, датчиков, выполненных по технологии МЭМС (микроэлектромеханические системы) — для измерения давлений на поверхностях исследуемых в дозвуковых аэродинамических трубах моделей. Возможности выбора иллюстрируются схемой рис. 1.

Рис. 1. Возможности выбора ИПД

На рис. 2 дана иллюстрация к выбору датчиков по их динамическому диапазону, применительно к экспериментам на дозвуковых аэродинамических трубах в диапазоне скоростей потока от 5 м/с до 70 м/с.

Рис. 2. Иллюстрация к выбору датчиков по их динамическому диапазону

Верхняя шкала на рис. 2 соответствует уровням звукового давления I в дБ. Следующая за ней вниз шкала в Па — эффективное (или среднеквадратичное) значение амплитуды пульсаций давления. Соответствие между уровнем звукового давления и эффективным значением амплитуды пульсаций давления определяется из соотношения:

;

1. МЭМС датчики давления

Микроэлектромеханические системы (МЭМС) представляют собой устройства микросистемной техники, выполненные по технологии объёмной микромеханики, сформированные путём локального вытравливания подложки, легирования, нанесения на неё материала и т. д. Подложки, как правило, изготавливаются из кремния, который обладает превосходными электрическими, механическими и тепловыми свойствами. Размеры МЭМС лежат в диапазоне от 1 микрона до нескольких миллиметров, в зависимости от мощности, области применения, наличия встроенных схем обработки и количества элементов.

Миниатюрные датчики Паскаль ПДПМ 2108 и 2112 (НПО СИГНАЛ, г. Энгельс), [3].

Преобразователи ПДПМ 2108 и ПДПМ 2112, состоят, см. рис. 3, из корпуса, изготовленного из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, внутри которого находится измерительный модуль. Модуль состоит из чувствительного элемента, изготовленного по МЭМС технологии, диаметром 2,4 мм. На планарной стороне сформированы методами диффузии и ионного легирования термо- и тензорезисторы, с непланарной стороны анизотропным травлением сформирована кремниевая мембрана размером 1,2 мм и толщиной от 5 до 70 мкм в зависимости от диапазона измеряемого давления. Контактные площадки соединены алюминиевой проволокой диаметром 30–60 мкм с никелевыми контактами переходной платы. На другую сторону платы разварены провода кабеля. Измерительный модуль герметично закреплен в корпусе преобразователя. За счет использования мембраны с концентраторами механических напряжений преобразователи имеют высокую собственную частоту и высокий выходной сигнал по сравнению с плоской мембраной. В табл. 1 — табл. 3 приведены некоторые параметры датчиков Паскаль.

Рис. 3. Внешний вид, габаритные размеры, пример установки датчиков ПДПМ 2108 и ПДПМ 2112, [3]

Рис. 4. Схема подключения датчиков, [3]

Таблица 1

Технические характеристики датчиков

Таблица 2

Таблица 3

Варианты исполнения датчиков Паскаль ПДПМ 2112

МЭМС датчики давления (Фирма EFT Sensing System Ltd, Китай), [7].

Датчики серий MSP 1030A, MSP 1030B и MSP 1015 изготовлены по МЭМС технологии со встроенной температурной компенсацией. Датчики разработаны с целью обеспечения повышенной чувствительности и исключительных динамических характеристик, а также стабильности работы, нелинейности в пределах 0,15 % в диапазоне до трёх полных шкал и перегрузки в 5 раз больше полной шкалы. Уменьшенный размер кристалла позволяет использовать датчики в различных измерениях статического и динамического давлений.

Датчик MSP 1030A: диапазон давлений 100 и 350 кПа.

Датчик MSP 1030В: диапазон давлений 100, 700 кПа, 1000 кПа.

Датчик MSP 1015: диапазон давлений 100 и 350 кПа.

2. Пьезоэлектрические датчики давления

Краткие обзоры по параметрам и анализу конструкций пьезоэлектрических преобразователей давления содержатся в работах [1, 9, 11, 12].

ФГУП НИИФИ [2], предлагает серию датчиков акустических давлений, которые с успехом могут быть использованы в научных исследованиях. Основные характеристики разработанных НИИФИ датчиков акустических давлений приведены в табл. 4.

Таблица 4

При измерениях быстропеременных давлений на поверхностях аэродинамических моделей в дозвуковых аэродинамических трубах перечисленные в табл.4 акустические датчики не находят широкого применения из-за относительно больших габаритных размеров.

Компанией PCB Piezotronics [8] разработаны датчики и микрофоны для измерения динамического давления в экспериментах с моделями летательных аппаратов в аэродинамических трубах. В табл. 5 приведены рекомендации по выбору датчиков для аэродинамических труб различных типов — от дозвуковых до сверхзвуковых.

Таблица 5

Датчики для аэродинамических труб, [8]

Помимо фирмы РСВ Piezotronik ING в производстве пьезоэлектрических датчиков представлена продукция фирм Endvevco Corporation, DYTRAN, Sanstard Date contrl, Erich Broza, Rheometron, Flopetron. C.F. V. LTD, Mullard Ltd, Merles, Motoroia ING, AVL, Kistler Instrument AG, Vibrometer, Hans List, Bruel & Kjaer и др. Информацию о датчиках можно получить на сайтах фирм, а также в литературе, например, [11, 12].

3. Микрофоны поверхностного давления

Микрофоны поверхностного давления предназначены для измерения давления на поверхностях самолета во время полетных испытаний, на моделях при испытании этих моделей в аэродинамических трубах и в других подобных условиях. Такие микрофоны выпускают несколько фирм: Брюль и Къер, PCB Piesotronics, компания BSWA Technology Co Ltd. В табл. 6 приведены технические параметры микрофонов перечисленных фирм.

Микрофоны поверхностного давления (модели 130В40 и MPA 426) имеют гибкую конструкцию, что позволяет устанавливать их при помощи клея на плоских или изогнутых поверхностях. Трудности отсутствуют и при установке микрофона тип 4948. В состав модулей входят встроенные усилители, а также поддерживается стандарт TEDS IEEE P1451.4 (TEDS — это сокращение от Transducer Electronic Data Sheet: электронная таблица параметров датчика, определяемая стандартом IEEE P1451.4).

Таблица 6

Микрофоны поверхностного давления

На рис. 5 показана схема установки микрофона 377А14 в стенке, обтекаемой потоком воздуха с приёмной стороны микрофона.

Рис. 5. Схема установки микрофона в поток воздуха, [8]

4. Датчики давления индуктивные дифференциальные малогабаритные ДМИ

Индуктивные датчики давления ДМИ, см. [10], предназначены для измерения мгновенных значений пульсаций давления воздуха и нейтральных газов при аэродинамических испытаниях. Датчики выпускаются на семь диапазонов измерения, причем в каждом диапазоне есть датчики двух модификаций, а в диапазоне измерения 0,06 есть и третья.

В диапазоне скоростей потока от 5 м/с до 70 м/с возможно измерение пульсаций давления индуктивными датчиками ДМИ-0,1и ДМИ-0,3. Для данных датчиков отсутствуют технические данные по нижней границе динамического диапазона, а также данные по верхней частоте частотного диапазона (приближённо верхнюю частоту частотного диапазона можно оценить в 10–15 кГц). Нижняя граница частотного диапазона — 0 Гц, т. е. индуктивные датчики допускают статическую тарировку. По габаритным размерам, по простоте установки, по стоимости датчики давления ДМИ — лучшие к применению для измерения пульсаций давления в дозвуковых аэродинамических трубах. Для аэродинамической трубы АТ-11выбор был сделан в пользу датчиков ДМИ. Возможно, что датчики Паскаль, выполненные по технологии МЭМС, смогут по своим параметрам превзойти индуктивные датчики ДМИ.

Сравнительные возможности микрофонов и датчика ДМИ-0,1 приведены в табл. 7.

Таблица 7

Сравнительные возможности микрофонов и датчика ДМИ 0,1

При выборе датчиков давления для измерения быстропеременных давлений на аэродинамической трубе АТ-11 предпочтение было определено в пользу индуктивных датчиков ДМИ 0,1. Данный тип датчиков характеризуется малыми размерами, простотой установки датчиков в аэродинамические модели и дешевизной. Возможно, что такими же эксплуатационными характеристиками обладают датчики Паскаль, но авторы настоящей работы не обладают информацией о практическом использовании этих датчиков.

Аэродинамическая труба АТ-11 укомплектована аппаратурой НПП «МЕРА» [4], предназначенной для работы с индуктивными датчиками давления и состоящей из усилителей-преобразователей MIC-017-D4 и измерительно-вычислительного комплекса MIC-400D. Усилители работают под управлением программного обеспечения «Recorder», установленного на внешнем устройстве управления. Индуктивная аппаратура совмещена с 4-х лучевым осциллографом LECROY WaveSurfer 24Xs-A и измерительно-вычислительным комплексом Брюль и Къер в составе системы анализа сигналов PULSEинового поколения аппаратного обеспечения сбора данных для платформы PULSE — LAN-XI. Блок-схема измерительной системы приведена на рис. 6.

Рис. 6. Блок-схема измерительной системы

Для метрологического обеспечения измерительной системы потребовалась разработка устройств для статической [11], и динамической тарировки датчиков давления типа ДМИ.

Литература:

1. Богуш М. В. Проектирование пьезоэлектрических датчиков на основе пространственных электротермоупругих моделей. М.: Техносфера, 2014. 312 с.
2. Каталог продукции НИИФИ [Электронный ресурс]. URL: http://niifi.client.runetsoft.ru/production/sensors/datchiki-akusticheskih-davleniy/ (дата обращения: 16.11.2015).
3. Каталог продукции НПО Сигнал [Электронный ресурс]. URL: http://www.eposignal.ru/products/catalog/226/ (дата обращения: 16.11.2015).
4. Каталог продукции ООО НПП «Мера» [Электронный ресурс]. URL: http://www.nppmera.ru/mc (дата обращения: 16.11.2015).
5. Каталог продукции Brüel & Kjær [Электронный ресурс]. URL: http://www.bksv.com/Products/transducers/acoustic/microphones (дата обращения: 16.11.2015).
6. Каталогпродукции BSWA Technology Co., Ltd. [Электронный ресурс]. URL: http://www.bswa-tech.com/web_proDetail.action?proId=262 (дата обращения: 16.11.2015).
7. Каталогпродукции EFT Sensing System Ltd. [Электронный ресурс]. URL: http://eftsys.com/en/Ssproducts_4_84.html (дата обращения: 16.11.2015).
8. Каталог продукции PCB Piezotronics [Электронный ресурс]. URL: http://www.pcb.com/products.aspx?tx=1 (дата обращения: 16.11.2015).
9. Михайлов П. Г., Мокров Е. А., Митрохин С. В., Сергеев Д. А. Особенности метрологического обеспечения современных датчиков пульсаций давлений. // Известия ЮФУ. Технические науки. — 2012. — № 5. — С. 174–179.
10. Техническое описание и инструкция по эксплуатации датчиков давления типа ДМИ. 16 с.
11. Устройство для тарировки измерительных приборов дифференциального давления // Патент на изобретение № 2504747. 2014. Бюл. № 2 // Леонов Г. А., Цветков А. И., Щепанюк Б. А.
12. Харлан А. А. Контроль и диагностика акустических нагрузок в ракетно-космической и специальной технике. // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество». — 2011. — № 2. — С. 65–69.
13. Харлан А. А. Метрологическое обеспечение создания датчиков давлений для ра-кетно-космической техники. // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество». — 2011. — № 1. — С. 94–96.