Бирюков Г.В., Блокин-Мечталин Ю.К., к.т.н. , Павлов А.С. ( ФГУП «ЦАГИ»), Колесников В.А., Назаров А.Е. (ООО «Драйвер»)
Ключевые слова: многоканальные средства измерения полей давления, преобразователи давления многоканальные, амплитудно-частотная характеристика преобразователя, гребенка приемников давлений, бездренажный метод измерений давлений
Аннотация
Рассмотрены перспективные многоканальные средства измерения полей давления для использования в аэродинамических трубах, разработанные совместно с ООО «Драйвер». Представлены технические характеристики конструкции и результаты метрологических исследований опытных образцов средств измерений.
С другими материалами III Отраслевой конференции по измерительной технике и метрологии для исследований летательных аппаратов КИМИЛА 2018 вы можете ознакомиться на сайте ЦАГИ (pdf файл, 58МБ).
Для измерения статических и динамических полей давлений на моделях в АДТ используется дренажный метод. Нормально к поверхности модели в интересующих точках сверлятся отверстия, которые дренажными трубками, проложенными внутри модели, и манометрической трассой герметично соединяются с преобразователями давления – датчиками. Датчики размещаются внутри или вне модели. Давление, измеренное преобразователем, принимается равным давлению на поверхности модели в точке расположения дренажного отверстия. Как показывают исследования, такое равенство имеет место, если обеспечена герметичность воздушной трассы, дренажное отверстие просверлено нормально к поверхности, а края не имеют скруглений и хорошо зачищены от заусенцев и других неровностей. Основой современных средств измерения полей давления дренажным методом являются миниатюрные кремниевые чувствительные элементы давления ЧЭД. В ООО «Драйвер» совместно с ЦАГИ разработаны новые малогабаритные многоканальные термостабилизированные преобразователи давления ПДМ Inser 1814/32 с аналоговым и цифровым выходом (Рисунок 1).
Рис. 1. Общий вид ПДМ Inser 1814/32
ПДМ Inser 1814/32 (ММД-32), блок-схема которого представлена на рисунке 2, представляет собой объединенные в одном корпусе 32 пьезорезистивных чувствительных элементов давления ЧЭД, быстродействующий аналоговый мультиплексор (MUX), инструментальный масштабирующий усилитель (IA) с мощным дифференциальным выходом и термостабилизатор (датчик температуры tº, ПИ-регулятор, управляемые нагреватели), АЦП и микроконтроллер (ADC-MCU) с цифровым выходным интерфейсом RS-485.
Рис. 2. Блок-схема ПДМ Inser 1814/32 (ММД-32)
Система измерения распределения давлений на основе ПДМ ММД32 с аналоговым выходом (ММД-32/а). и штатным аппаратно-программным комплексом ИВК-М2 – ПОТОК используется в АДТ Т106 при испытании перспективной модели ЛА. Система на основе ПДМ с цифровым выходом (ММД-32/ц). успешно использовалась в АДТ Т112 в условиях сильных электромагнитных помех при исследовании влияния плазменных актуаторов, установленных на профиле модели крыла. Величина СКО не превышала 120 Па (Рисунок 3).
Рис. 3. Результаты измерений давления и полученное СКО
2. Преобразователь динамических давлений многоканальный на гибкой основе
При использовании дренажного метода, преобразователи давления соединяются с приемниками давления на поверхности модели каналами с различными конфигурациями. Конечные размеры приемников и частотные характеристики пневмотрасс оказывают влияние на измеренные величины. Преобразователь динамического давления многоканальный на гибкой основе (далее преобразователь, или ПДДМ) предназначен для измерения перепада давлений одновременно в некотором количестве точек, располагающихся на одной линии на определенном расстоянии друг от друга. Высокая собственная резонансная частота применяемых чувствительных элементов давления (ЧЭД), малые размеры полостей позволяет использовать ПДДМ для регистрации быстропеременных процессов, т.е. динамического давления (пульсаций давления) дренажным методом. Гибкая композитная лента имеет основу из полиимида. В ленты толщиной 0,5 мм смонтированы миниатюрные кремниевые чувствительные элементы давления. ЧЭД, расположенные равноудаленно друг от друга в одну линию по центру ленты (возможно их иное расположение). Напротив каждого ЧЭД в основе имеется отверстие диаметром 0,2 мм для передачи воздушного давления на мембрану. Если ЧЭД являются преобразователями разности давлений, их обратные полости сообщаются между собой и с внешним штуцером посредством пневмоканала в толще ленты. Конструктивная схема ПДДМ показана на рисунке 4.
Рис. 4. Конструктивная схема ПДДМ
Измерительная часть преобразователя монтируется на поверхности модели с помощью адгезионных составов. Возможен монтаж заподлицо с поверхностью во фрезерованные пазы, либо непосредственно на поверхность.Чувствительные элементы давления представляют собой МЭМС (микро электромеханические системы) с поверхностной микромеханикой. На поверхности кремниевой пластины формируется последовательность слоев поликремния, диоксида кремния, нитрида кремния и др., в результате последовательности операций нанесения слоев и их травления получается поликремниевая мембрана толщиной около 1,5 мкм с нанесенными тензорезисторами и проводниками. Под мембраной с помощью ионно-плазменного травления формируется «колодец» – отверстие для подачи давления (рабочая полость). Макет ПДДМ исследован в потоке эталонной АДТ ЭМС-0,05/100 и на стенде переменного давления, ударной трубе ТУ-4 (НИО-7). Амплитудно-частотная характеристика преобразователя АЧХ полученная на стенде показана на рисунке 5. Преобразователь имеет равномерное АЧХ до 6 кГц.
Рис. 5. АЧХ преобразователя
Для оценки функционирования измерительной системы на основе гибкой ленты был собран демонстратор в виде обтекаемой пластины с лентой, наклеенной во выфрезерованный паз. Демонстратор был установлен в ядро потока. Перед лентой был установлен вихрегенератор, который генерировал вихрь с частотой зависящей от скорости потока. Также был установлен датчик фирмы KULITE с диапазоном 0.35 атмосферы. При скоростях потока 10, 15 и 20 м в секунду наблюдались пульсация с амплитудой 25, 35 и 50 микровольт, что соответствует давление 100, 140 и 200 Па. В пространстве частот наблюдались пики на частотах 750, 1100 и 1500 герц соответственно. Сравнение измерений пульсаций с помощью ПДДМ на гибкой ленте и KULITE показано на рисунке 6. Получены сопоставимые результаты.
Рис. 6. Сравнение измерений пульсаций ПДДМ на гибкой ленте (сверху) и KULITE (снизу)
Основные характеристики макета ПДДМ: диапазон давлений от -100 до 200 кПа, общая приведенная погрешность не превышает 0,5%, частотный диапазон от 0 до 5000 Гц, количество каналов 5, шаг расположения ЧЭД 10 мм, длина ленты: (в зависимости от количества и шага ЧЭД) 70 мм, ширина 5 мм, толщина 0,55 мм. Отечественные и зарубежные аналоги не известны. Технология бездренажного метода измерений статических и динамических давлений на поверхности моделей и натурных образцов ЛА обеспечит увеличение информативности, точности и быстродействия измерений полей давления , в том числеа тонких элементах ЛА, где дренажный метод принципиально не применим.
3. Многоканальная гребенка приемников давлений со встроенной измерительной системой
Для изучения полей давления в контуре АДТ и в следе за моделью используются многоканальные гребенки приемников статических и динамических давлений. В настоящее время в АДТ применяются гребенки с длинными пневмотрассами и удаленной измерительной системой. Длинные пневмотрассы ограничивают быстродействие и частотный диапазон измеряемых давлений, а электрические линии связи преобразователей давления с измерительной аппаратурой снижают точность измерения давлений. В ООО «Драйвер» совместно с ЦАГИ разработана гребенка приемников статических и динамических давлений со встроенными миниатюрными преобразователями давления и измерительной аппаратурой сбора и регистрации данных имеющий выход RS485 и преобразователь в Ethernet. На рисунках 7 и 8 показаны внешний вид гребенки динамических давлений и схема функциональная.
Рис. 7. Внешний вид макета гребенки динамических давлений ГПДД32
Конструкция ГПДД включает блок из 32-х приемников динамических давлений, блок преобразователей динамических давлений многоканальный (ПДДМ), измерительную систему, размещенные в металлическом фрезерованном корпусе с пневматическими и электрическими соединителями. Технические характеристики: вид измеряемого давления: дифференциальное (32 или 16 датчиков), абсолютное (1 датчик), диапазоны измерения: дифференциального давления – ±100, ±40, ±10 кПа, абсолютного давления – 0...400 кПа, основная приведенная погрешность – ±0,4%, Полоса пропускания до 300 Гц.
Рис. 8. Схема функциональная ПДДМ с измерительной системой
Заключение
Разработаны и исследованы в АДТ и на эталонных стендах перспективные средства измерения полей давления: малогабаритные многоканальные термостабилизированные преобразователи давления ПДМ Inser 1814/32 (ММД32) с аналоговым и цифровым выходом и на их основе многоканальные системы измерения распределения давления; преобразователь динамических давлений многоканальный на гибкой основе ПДДМ для бездренажного метода измерений статических и динамических давлений на поверхности моделей и натурных образцов ЛА; многоканальная гребенка приемников статических и динамических давлений со встроенной измерительной системой. Перспективные многоканальные средства измерения полей давления и системы измерения на их основе расширяют экспериментальные возможности измерения статических и динамических полей давлений в направлении повышения точности и быстродействия, расширения частотного диапазона измеряемых величин.
Список литературы
- Блокин-Мечталин Ю. К. Цифровые тензометрические преобразователи и системы // Датчики и системы – 2009-№12, с. 31-37.
- В.А. Колесников, Г.А. Капитанов, А.Е. Назаров, Г.В. Бирюков, Ю.К. Блокин-Мечталин, В.Ю. Заливако, В.Н. Чекрыгин. Инновационные технические решения микроминиатюризации многоканальных модулей давления и результаты исследования их характеристик; Материалы XXIII научно-технической конференции по аэродинамике, Жуковский, Издательский отдел ЦАГИ, 2012г., с.131.