Лекции Паро- и газотурбинные установки эксперимент (лекции, билеты), страница 11

Электронные тахометры основаны на безынерционном действии электронных измерительных устройств, работающих с индукционными или фото электрическим входными преобразователями. Эти преобразователи являются бесконтактными импульсными датчиками, посылающими в измерительное устройство кратковременные электрические импульсы через каждый оборот или долю оборота вала испытываемой ГТУ (ПТУ). Регистрирующим устройством электронных тахометров могут служить магнитофоны с цифровой индикацией результатов, основанной на автоматическом повторении счета через определенные промежутки времени.

5.6 Измерение деформаций и напряжений.

Датчик деформации и напряжения.

К метрологическим характеристикам датчиков для измерения деформаций ГТУ предъявляются следующие требования.

• диапазон относительных деформаций до 10^-2; разрешающая способность 10^-6

• пренебрежимо малая поперечная чувствительность

• точность по отношению к полному диапазону измерений не ниже 5%

• независимость показаний от давления

• отсутствие инерционности.

Кроме того, датчики деформации должны функционировать в реальных условиях эксплуатации и допускать возможность их установок без влияния на работоспособность ГТУ и его элементов и на целость конструкции. Среди известных для измерения деформаций преобразователей указанным требованиям в большей степени, чем другие, отвечает тензодатчик.

Тензодатчики (тензорезисторы) являются первичными преобразователями электротензометрического метода измерения деформаций конструкции ГТУ и элементов внешних силовых факторов (сгибающих и крутящих моментов, растягивающих и сжимающих сил, перерезывающих сил…). В основе работы тензодатчика лежит факт изменения его электрического сопротивления при воздействии механической деформации, которое обычно выражается следующей линейной зависимостью:

R – измерении сопротивления R тензодатчика

Е - относительная деформация;

S - коэффициент чувствительности датчика

В настоящее время выпускается много типов металлических тензодатчиков, однако наибольшее распространение в практике испытаний ГТУ получили проволочные тензодатчики с базой l = 5-10 мм и сопротивлением R = 200 Ом. Полупроводниковые тензодатчики редко применяются в испытаниях ГТУ вследствие их хрупкости, сложности монтажа и существенной зависимости чувствительности от температуры и деформации. При локальной однородности поля деформации, обусловленной структурными особенностями металла, могут применяться датчики любого размера, если позволяют размеры конструкции.

При этом считается, что достаточно оптимальными техническими характеристиками обладают датчики с базой фольговой решетки 6 мм, а для датчика с проволочной решеткой с базой 10 мм. В случае неоднородного поля деформаций конструкции длина решетки датчика должна быть не менее чем в пять раз больше размера неоднородностей (зерен) металла. При резких пространственных изменениях напряжений, в зонах их концентрации или значительных перепадах толщин поперечных сечений для однородного металла применяются датчики с базой до 1 мм, в частности выполненные в виде последовательности (цепочки) решеток стоящих в одном ряду.

Технология препарировки тензодатчиками композиционных материалов сходна с технологией для металла. Если возможна градуировка препарированного элемента ГТУ, определение компонентов нагрузки не вызывает трудностей. Однако необходимо иметь ввиду более слабую теплоотдачу по сравнению с металлическими конструкциями, поэтому должны применятся либо датчики с большей базой, либо уменьшенные токи питания.

Измерение деформаций с помощью наклеиваемых тензодатчиков может быть достоверно только при выдерживании требований технологии, таких как качественная подготовка поверхности для наклейки, правильный выбор клея, качественная наклейка и сушка. При применении датчиков на конструкции из алюминиевых сплавов температура не должна превышать 70-80⁰С, в противном случае может произойти местный нагрев металла. При температурах от 300 до 800⁰С используются датчики с решеткой из специальных сплавов, обрамленные окантовкой или выполненные в металлическом корпусе. Находит применение способ крепления решетки путем напыления окисла алюминия с помощью ацетиленовой горелки, которой обеспечивает измерение деформаций при температурах до 1000⁰С.

В практике измерения деформаций используют аппаратуру, реализующую следующие основные схемы: потенциометрическую (делитель напряжения), мостовую и прямую.

При потенциометрическом подключении тензодатчика используется дополнительное сопротивление.

Мостовая схема представляет собой комбинацию двух делителей напряжения, соединенных таким образом что сигнал на выходе зависит только от приращения сопротивлений R₁, R₂, R₃, R₄.

Прямая схема подключения тензодатчика подобна делителю с раздельным положительным и отрицательным питанием, что достигается применением двух источников тока. Такая цепь может быть выполнена полностью симметричной, линейной и обладает высокой помехозапрещенностью.

Погрешности при тензоизмерениях связаны с большим числом факторов, среди которых для случая динамических нагрузок наибольшую роль играют следующие:

• изменение чувствительности тензодатчика из-за влияния температуры и влажности, а также разброса характеристик в партии;

• снижение чувствительности вследствии падения напряжения на питающих проводах или снижение сопротивления изоляции;

• изменение напряжения питания;

• погрешности измерительной аппаратуры;

нелинейность тензомоста.

Вибродатчики.

Измеряемым параметрам при испытании ГТУ обычно являются виброускорение. В отечественной практике используются датчики пьезоэлектрического, индуктивного и тензометрического типов. В пьезоэлектрическом датчике сигнал пропорционален прикладываемому усилию со стороны приклеенной к нему массы. Суммарная погрешность акселерометра обычно лежит в пределах 5%. Температурные характеристики пьезоакселерометров зависит от типа согласующих устройств и для хороших моделей чувствительность изменяется на 1…2% при изменении температуры на 100⁰С в обычных условиях (от –70 до + 260⁰С). Специальные конструкции датчиков виброускорений могут работать до температуры 700⁰С и выше.

Датчики пульсаций давления.

В качестве датчиков пульсаций давления используются датчики пьезорезисторного, индуктивного и пьезо электрического типов.

Верхний диапазон частот пьезо резисторных и индуктивных датчиков определяется в первую очередь резонансом мембран. Уменьшение размеров мембраны улучшает все направленность датчика. При испытаниях ГТУ применяются датчики, которые дают равномерную частотную характеристику при случайном падении звуковых волн. Они обычно устанавливаются заподлицо с поверхностью обтекания.

Нижний предел частот определяется согласующей аппаратурой и необходимостью уравниванием давления (статического) над и под мембраной.

В зависимости от размеров датчика влияние уравнивания может сказаться на частотах 2…20 или 20…5000 Гц.

• В последнее время для измерения пульсации давления в диапазоне температур -20100⁰С наибольшее применение нашли пьезорезестивные датчики. Для них используется кремниевая мембрана, на которую диффузионным способом напыляются полупроводниковые (пьезорезистивные) датчики, включенные в мостовую схему. Эти датчики имеют высокую точность, малые размеры, весьма низкую чувствительность к вибрациям и большую резонансную частоту (до 45000 Гц).

5.7 Измерения тепловых потоков.

5.7.1 Метод измерения плотности теплового потока с помощью «вспомогательной» стенки.

Сущность этого метода поясняется схемой представленной на рис. 15

На обтекаемую газом поверхность (элемент ГТУ) 1, устанавливают преобразователь теплового потока – пластину 2 («вспомогательная» стенка) снаружи (а) или изнутри (б). Измеряется перепад температур на пластине – между точками 3 и 4, пропорциональный плотности теплового потока. Для повышения точности применяют батарею термопар, расположенных во вспомогательной стенке, параллельно направлению теплового потока и соединенных последовательно по генерируемому сигналу. В результате градуировки определяется тарировочный коэффициент С. Величина теплового потока, проходящего через вспомогательную стенку, подсчитывается по формуле:

q=EC

где Е – показания батареи термопар, , С – тарировочный коэффициент.

В работе 5 дано описание и характеристики аналогичного устройства измерителя коэффициента теплоотдачи (ИКТ), выполненного в виде теплометрического блока, смонтированного на температуровыравнивающей пластине и содержащего три первичных преобразователя теплового потока и преобразователь температуры. Данный ИКТ обеспечивает измерения α в диапазоне 20-100 Вт/м^2ОК, теплового потока в диапазоне 1.5 10³ Вт/м² при уровне рабочих температур -50 ÷ 130^О С.

Источниками погрешностей измерения теплового потока вышеописанным методом являются:

- изменение термического сопротивления элемента ГТУ при установке на него вспомогательной стенки

- изменение температурного поля элемента ГТУ из-за установки вспомогательной стенки

- отличие условий применения датчика от условий при градуировке

- утечки или притоки тепла

- изменение характера течения газа

5.7.2 Метод измерения плотности теплового потока «встроенными» датчиками

Сущность метода поясняется схемой, представленной на рис. 16.

В элемент ГТУ 1 устанавливается (заподлицо с обтекаемой газом поверхностью) датчик теплового потока 2 с термопарой (термометром сопротивления). Для упрощения технологии испытаний по определению тепловых потоков стремятся создать условия при которых в д.т.п. устанавливается температурное поле, близкое к одномерному. В этом случае тепловой поток определяется на основе теории регулярного режима из выражения:

(62)

где – плотность, теплоемкость и «высота» д.т.п. ( , V – объем, F – площадь поперечного сечения, д.т.п. чаще всего выполняют цилиндрической формы)

Выражение (62) справедливо для идеального датчика теплового потока: все тепло, подводимое (отводимое) от него идет на его нагрев. В действительности, идеально теплоизолировать д.т.п. не удается, на результат определения q существенное влияние могут оказать утечки (притоки) тепла от контактирующих с д.т.п. участков элементов ГТУ. Из-за утечек (притоков) тепла экспериментально найденное значение q будет ниже (выше) действительного. Разработаны и применяются разнообразные конструктивные способы уменьшения утечки (притоков) тепла. Некоторые из них представлены на рис. 17:

А Мерный элемент 1 размещают в теплоизоляционную втулку 2, выполняют воздушные зазоры 3.

Б Мерный элемент 1 размещают в теплоизоляционную втулку 2, выполняют воздушные зазоры 3, весь этот блок размещают в охранную оболочку 4.

С Мерный элемент 1 размещают в теплоизоляционную втулку 2, устанавливают две охранные оболочки 3,4 между которыми имеются воздушные зазоры 5.