Приборы и системы контроля работы авиадвигателей. Авиационные манометры и датчики давления

1. Лекция № 3 Раздел 2. Приборы и системы контроля работы авиадвигателей, высотного и кислородного оборудования Тема 2.1. Приборы

и системы контроля работы
авиадвигателей
Авиационные манометры и датчики давления
2.1. Классификация авиационных манометров по роду
измеряемого давления (манометры абсолютного давления и
дифференциальные манометры)
2.2. Упругие чувствительные элементы (мембраны, мембранные
коробки, сильфоны, трубчатые пружины)
2.3. Электромеханические манометры типа ЭДМУ, ЭМ, ДИМ
2.4. Датчик давления типа ДДИ
2.5. Информационный комплекс давлений типа ИКД 27
2.6. Частотные преобразователи давления

2. 2.1. Классификация авиационных манометров по роду измеряемого давления (манометры абсолютного давления и дифференциальные

2.1. Классификация авиационных манометров по роду
25
измеряемого давления (манометры абсолютного давления и
дифференциальные манометры)
Манометры - приборы для измерения давления жидкостей и газов.
За единицу давления принят Паскаль (1 Па =1 Н/м )
1 кгс/см2 = 753,563 мм рт. ст. = 104 мм вод. ст. = 9,8066 104 Па.
В зависимости от методов измерения манометры разделяют на
механические, электромеханические и электрические.
В механических манометрах с упругими чувствительными элементами
УЧЭ измеряемое давление определяется по деформации УЧЭ или
развиваемой им силе.
К электромеханическим манометрам относятся манометры, в которых
деформация УЧЭ или развиваемое им усилие преобразуется в
электрический сигнал.
В электрических манометрах используется зависимость электрических
параметров ЧЭ от приложенного давления.

3. 2.2. Упругие чувствительные элементы (мембраны, мембранные коробки, сильфоны, трубчатые пружины)

24
2.2. Упругие чувствительные элементы (мембраны,
мембранные коробки, сильфоны, трубчатые пружины)
В качестве основных упругих чувствительных элементов в авиационных
приборах используются анероидные и манометрические коробки,
манометрические трубки, сильфоны.
Р2
Р2
Р2
Р1
Р1
Р1
Для УЧЭ справедливо соотношение:
f ( P1 P2 ),
Р2
где P1 – давление, поступающее внутрь манометрической трубки,
P2 – окружающее давление, – угловое перемещение свободного конца
манометрической трубки; - линейное перемещение подвижного центра
манометрической коробки или сильфона .
Р1

4. 2.2. Упругие чувствительные элементы (мембраны, мембранные коробки, сильфоны, трубчатые пружины)

23
Манометрические коробки применяются в качестве чувствительных
элементов в приборах с малым диапазоном измерения давления: вариометрах,
указателях скорости, расходомерах воздуха.
Анероидные коробки применяются в высотомерах и высотных
сигнализаторах, комбинированных указателях скорости совместно с
манометрическими коробками.
Манометрические трубки применяются, как правило, для измерения
сравнительно больших давлений (от 0,05 до 200 МПа).

5. Механические манометры

22
Механические манометры
Механические манометры применяются на борту ВС для измерения
давления воздуха, кислорода, жидкостей и т.д. В таких манометрах в качестве
чувствительных элементов используются манометрические коробки,
манометрические трубки, сильфоны.
Р2
Р2
Р1
Р2
Р1
Р1
Р1
Р2
Принцип действия мембранного манометра основан на пневматической
компенсации, где сила развиваемая измеряемым давлением уравновешивается
силой упругости мембранной коробки.

6. Механические манометры

21
Чувствительный элемент прибора
состоит из двух спаянных между собой
мембран образующих манометрическую
трубку 1. Измеряемое давление через
штуцер подводится к внутренней полости
коробки. Под действием разности
атмосферного и измеряемого давления
трубка изменяет свой объем, что
вызывает перемещение жёсткого центра
верхней мембраны которая через
поводок 2 и рычаг 3 перемещает стрелку
прибора

7. Механические манометры

Недостатки механических манометров :
1. Низкая чувствительность (так как часть измеряемого давления
расходуется на преодоление сил сопротивления передаточно-множительного механизма прибора).
2. Необходимость подвода среды, давление которой необходимо измерить,
с помощью соединительных линий (рост массы оборудования, снижение
надежности).
20

8. 2.3. Электромеханические дистанционные манометры типа ЭДМУ и ЭМ, ДИМ

Манометры серии ЭДМУ
I 1 R R y Rn R x RR k
I 2 R R x Rn R y RR k
R = R + Rk + R3 + R5
R2 = R4 = R; Rn = R3 + R5
19

9. 2.3. Электромеханические дистанционные манометры типа ЭДМУ и ЭМ, ДИМ

18
Манометры серии ЭДМУ
Т.к. сопротивления Rk медных
катушек логометра зависят от
температуры, то для
компенсации этого влияния в
полудиагональ моста включен
медный резистор R3.
Градировочная величина его сопротивления определяется из условия
полной температурной компенсации.
В обесточенном состоянии подвижная система удерживается за
нулевой отметкой шкалы неподвижным постоянным магнитом
Основная приведенная погрешность манометров
ЭДМУ не более γ ≤ + 4 %.

10. 2.3. Электромеханические дистанционные манометры типа ЭДМУ и ЭМ, ДИМ

17
Манометры серии ЭМ.
Отличаются от
манометров серии
ЭДМУ применением
четырех проводной
однощеточной
потенциометрической
дистанционной
передачей и четырех
рамочного логометра,
что позволяет
обеспечить размах
шкалы прибора,
равный 2700
Основная приведенная погрешность манометров серии ЭМ на рабочем
участке шкалы не превышает +3%.

11. 2.3. Электромеханические дистанционные манометры типа ЭДМУ и ЭМ, ДИМ

16
2.3. Электромеханические дистанционные манометры типа
ЭДМУ и ЭМ, ДИМ
Манометры серии ДИМ-Т.
Унифицированные дистанционные индуктивные манометры ДИМ-Т
обеспечивают надежное измерение в условиях повышенных температур и
при наличии колебаний давления с амплитудой до 3% от верхнего
предела измерения и частотой 10 ...700 Гц.
Потенциометрические преобразователи при указанных условиях
работают недостаточно надежно из-за перетирания потенциометров.
Р1
Р2
L1
L2

12. 2.3. Электромеханические дистанционные манометры типа ЭДМУ и ЭМ, ДИМ

15
2.3. Электромеханические дистанционные манометры типа
ЭДМУ и ЭМ, ДИМ
Манометры серии ДИМ-Т.
В качестве ЧЭ при измерении давлений в диапазоне до 9,81 МПа
применяются гофрированные мембраны, при больших давлениях грибковые мембранные коробки.
В датчике отсутствует
передаточный механизм, поскольку
используемый дифференциальный
индуктивный преобразователь
обладает достаточной
чувствительностью для
непосредственного
преобразования перемещения ЧЭ
элемента в электрический сигнал.
Схема питается от источника переменного тока. Она эквивалентна схеме
манометра ЭДМУ: переменные индуктивности L1 и L2 совместно с диодами
VD1 и VD2 играют роль переменных плеч потенциометра R1.
Приведенная погрешность манометров ДИМ-Т на рабочем участке
шкалы при нормальных условиях не превышает + 4%.

13. Погрешности авиационных манометров

Складываются из погрешностей датчиков и указателей.
Погрешности датчиков.
Основными погрешностями датчиков являются:
- инструментальные температурные погрешности (из-за влияния
температуры на модуль упругости ЧЭ, и в датчиках манометров она не
компенсируется) ;
- погрешности, обусловленные нелинейностью и гистерезисом УЧЭ,
силами трения.
Погрешности указателей.
Определяются действием на подвижную систему:
- вредных моментов сил трения, возникающих также вследствие
взаимодействия подвижного магнита с магнитным экраном при наличии
эксцентриситета, эллиптичности, неоднородности его материала и
магнитного гистерезиса в нем;
- разбалансировки
Дополнительная погрешность появляется при изменении
напряжения питания.
14

14. Особенности эксплуатации

Проверка манометров осуществляется с помощью
гидравлической установки проверки манометров типа ГУПМ
и электрической установки проверки манометров ЭУПМ-2М.
Установка ЭУПМ-2М обеспечивает проверку манометров серии
ЭМ и ЭДМУ с диапазоном измерений до 9,81 МПа (100 кгс/см2 ) и
позволяет проверять указатель и датчик как в отдельности, так
и в комплекте. Она состоит из эталонного магазина
сопротивлений, используемого при проверке указателей
манометров, и эталонных логометров ЭДМУ и ЭМ,
используемых при проверке датчиков.
При проверке датчиков и комплектов манометров установка
ЭУПМ-2М используется совместно с установкой ГУПМ.
13

15. 2.4. Датчик давления типа ДДИ

12
Индуктивные датчики давления типа ДДИ предназначены для
преобразования абсолютного, избыточного и дифференциального
давлений в напряжение переменного тока и выдачи информации в
бортовые системы самолета.
ДДИ - датчик давления индуктивный.
ДДИИ измеряют избыточное давление.
ДДИА и ДДИАс измеряют абсолютное давление.
ДДИДф измеряют перепад давления.
Число, стоящее после букв А, Ас, И или Дф
обозначает максимальное значение измеряемого
давления:
• в мм рт.ст. для датчиков ДДИА;
• в кг/см2 - для датчиков ДДИАс, ДДИИ, ДДИДф.
Индуктивный датчик принципиально отличается от потенциометрического
вторичным преобразователем, в качестве которого в нем применяется
индуктивный преобразователь перемещения в напряжение переменного
тока.

16. 2.4. Датчик давления типа ДДИ

11
Принцип действия индуктивного преобразователя основан на изменении
коэффициента самоиндукции дросселя вследствие изменения воздушного
зазора магнитопровода при перемещении якоря или сердечника
относительно обмотки.
0,4 w2
L
10 8
R0 Rм
w – число витков обмотки; R0 – магнитное сопротивление воздушного
зазора; Rм – магнитное сопротивление магнитопровода
В зависимости от способов изменения индуктивности и полного
сопротивления катушек индуктивные преобразователи разделяются на
преобразователи с переменным сопротивлением воздушного зазора, с
переменным сопротивлением магнитопровода и с переменным числом
витков. В мировой практике авиаприборостроения наибольшее применение
нашли индуктивные преобразователи с переменным воздушным зазором

17. 2.4. Датчик давления типа ДДИ

10
L
1
d/2
Рабочий
участок
2
d0
Dd0
d0 + Dd0
х
Лучшие образцы индуктивных датчиков давления зарубежных и отечественных
фирм имеют следующие характеристики: высокая чувствительность, что
позволяет измерять перемещения до 0,001 мм; основная погрешность ± 0,5 %
от диапазона; гистерезис ± 0,1 %; рабочий диапазон частоты измерения
давления 0-1000 Гц; масса 100-150 г; выходной сигнал 0-5 В.
Индуктивные датчики давления применяются в аналоговых
электромеханических СВС-1-72 самолетов Ил-62, Ил-76, Ан-22 и электронных
СВС-ПН-15 самолетов Ту-154, Ил-62, Ил-76.

18. 2.5. Информационный комплекс давлений типа ИКД-27

Измерительный комплекс давления ИКД-27 состоит из отдельных приборов
ИКД-27Дф и ИКД-27Да, предназначенных для измерения давления
(избыточного, абсолютного или перепада давлений) и выдачи напряжений
постоянного тока, пропорционально измеряемым давлениям в систему САУ.
Эти приборы основаны на преобразовании с помощью индуктивного
преобразователя перемещения упругого ЧЭ в электрический сигнал,
пропорциональный измеряемому давлению.
ЧЭ - упругий чувствительный элемент
ИП - индуктивный преобразователь перемещения
Г – генератор, В - выпрямитель, С – стабилизатор
9

19. 2.5. Информационный комплекс давлений типа ИКД-27

Г – генератор (преобразует стабилизированное напряжение постоянного
тока в переменное напряжение с амплитудой 12В и частотой 28 кГц,
необходимое для питания индуктивного преобразователя).
С – стабилизатор (обеспечивает стабилизацию своего выходного
напряжения 8.5 - 9.5В при изменении напряжения источника питания
прибора от 20 до 30В).
8

20. 2.5. Информационный комплекс давлений типа ИКД-27

7
Индуктивный преобразователь является
преобразователем дифференциальнотрансформаторного типа. Принцип действия его основан
на изменении потокосцепления между секциями двух
обмоток преобразователя при перемещении якоря,
жестко связанного с упругим ЧЭ – манометрической
(анероидной) коробкой, воспринимающей измеряемое
давление
Выходное напряжение индуктивнного преобразователя выпрямляется и
поступает на выходные клеммы прибора в виде напряжения постоянного
тока, пропорционального изменяемому давлению.
Основная погрешность приборов ИКД-27 3 - 4%

21. 2.6. Частотные преобразователи давления

Принцип работы частотного преобразователя основан на функциональной
зависимости частоты резонансных колебаний упругого чувствительного
элемента от величины измеряемого давления:
f F( P )
В качестве упругого чувствительного элемента могут быть струна,
мембрана, тонкостенный цилиндр и пьезоэлементы.
Вторичный преобразователь во всех трех случаях представляет собой
колебательную систему, содержащую инерционный элемент в виде массы,
способной накапливать кинетическую энергию, и элемент, способный
накапливать потенциальную энергию, в качестве которого выступает
упругий элемент.
6

22. 2.6. Частотные преобразователи давления

5
Датчик избыточного давления с вибрирующей струной (вибрационночастотный).
Р
1
F
1 – сильфон; 2 – балка с опорой;
3 – сила натяжения струны;
4 – струна;
5 – усилитель; 6 – емкость;
7 – катушка возбуждения
колебаний струны
3
2
4
5
7
выход
6
При увеличении давления Р жесткость
струны увеличивается, частота растет в
соответствии с зависимостью:
f
n
2l
F
S
l – длина струны, м; F – сила натяжения струны, Н; ρ – объемная
плотность материала струны, кг/м3; n – номер гармоники колебаний (n =1);
S – сечение струны, м2.

23. 2.6. Частотные преобразователи давления

4
Датчик избыточного давления с вибрирующей струной (вибрационночастотный).
Преобразователь для самовозбуждения
Р
7 подключается к выходу усилителя. В
момент подключения усилителя к
1
F
питанию на струну поступает импульс в
3
виде притяжения (отталкивания).
2
Начинаются колебания струны на
собственной частоте. Если бы не
4
последовали следующие импульсы, то
5
7
выход
колебания затухли бы.
6
Но вслед за первым импульсом колебания струны улавливаются
преобразователем съема сигнала 6 (индуктивный и емкостной
преобразователи перемещения в электрический сигнал), усиливаются,
нормируются, выдаются на выход датчика и одновременно на
преобразователь возбуждения колебаний 7. Наступают непрерывные
колебания струны, собственная частота которых примерно
пропорциональна измеряемому давлению.

24. 2.6. Частотные преобразователи давления

3
Вибрационно-частотный датчик давления с цилиндрическим
резонатором
1 – опорный вакуум; 2 – цилиндр;
3 – катушка возбуждения;
4 – элементы системы самовозбуждения;
1
5 – катушка съема сигнала;
7
2
6 – давление; 7 – корпус; 8 – усилитель;
9 – выход; 10 – основание
3
4
6
Р
5
10
Принцип действия датчика основан на
зависимости собственной частоты упругого
элемента от величины его внутреннего
механического напряжения, вызванного
действием измеряемого давления.
8
Измеряемое давление Рст подается во внутреннюю полость резонатора.
Резонансные колебания стенки резонатора возбуждаются при помощи
индуктивного преобразователя. В таком же преобразователе съема
наводится небольшая электродвижущая сила, этот сигнал поступает на
усилитель и по каналу обратной связи подается на катушку возбуждения.

25. 2.6. Частотные преобразователи давления

2
Вибрационно-частотный датчик давления с цилиндрическим
резонатором
Устанавливаются незатухающие колебания
стенок цилиндрического резонатора на
собственной частоте, величина которой
1
зависит от измеряемого давления:
7
2
1
f
2
3
4
6
Р
5
10
8
8
2
2 Ebd 3 b P
3
1 15 10
3
ml d E
Е – модуль упругости материала цилиндра;
m – приведенная масса, кг; δ – толщина
стенки, см (0,01-0,03 см); l – длина цилиндра,
см (3-5 см); b – диаметр цилиндра, см (1,5-2
см); Р – давление, кг/см2.
D0 E 12
f0
f f0 1 к р Р
2 R
Безразмерный коэффициент ∆0 является функцией нескольких параметров:
∆0 = (E, b, d, l, m).
Для датчиков ДДГ f0 = 4500 Гц.
1
2

26. 2.6. Частотные преобразователи давления

1
Вибрационно-частотный датчик давления с цилиндрическим
резонатором
Алгоритм вычисления давления Р = P(f) по
сигналу датчика f согласно формулы
1
7
2
3
4
6
Р
5
10
f f 0 1 к р Р
1
2
Необходимая точность вычисления
достигается при аппроксимации точных
(градуировочных) функциональных
зависимостей Р = P(f) полиномами пятой
степени:
Р = k0 + k1f+ k2f2+ k3f3+ k4f4+ k5f5.
8
Их коэффициенты ki корректируются по
сигналам температуры датчика:
ki =ai0 + ai1T + ai2T2
i = 0, 1, … , 5.
Коэффициенты аij рассчитываются для каждого датчика по результатам его
индивидуальной калибровки. Они записываются в память вычислителя.