Диссертация (Исследование механизмов термогидродинамических и МГД процессов с жидкометаллическими рабочими телами), страница 7

Изприведенного графика видно, что в диапазоне изменения скорости потокартути от 2 до 12 см/с выражение (1-11) аппроксимируется функциейU x  awxn , причем n = 1.52 – 1.72 в зависимости от ri 0 . На рис. 1.8 такженанесены экспериментальные данные, полученные на двух образцахволоконно-оптического преобразователя (кривые 4 и 5). Они также хорошоописываются степенной зависимостью, причем n = 1.52 и 1.77.

Различиеобозначений экспериментальных точек на кривой 5 связано с тем, что здесьпредставлены результаты калибровки обоих каналов преобразователя.2wi x10 м/с108416621-34563452Ui, усл. ед.12468 10204060 80 100200Рис. 1.8. Сигнал с фотоприемника в зависимости от скорости (1 – 3 – расчет, 4 – 6 –эксперимент). 1 – Δ ̅ = 1.4 (n = 1.57); 2 – 1.0 (1.63); 3 – 0.6 (1.71); 4 – n = 1.52; 5 – канал X(n=1.71); 6 – канал Y (n=1.71).Относительно небольшое различие в расчетных и экспериментальныхзначениях n и совпадение этих значений для обоих каналов для одного издатчиковсвидетельствуютолинейностисистемыпреобразователяперемещений в электрический сигнал, что позволяет вместо (1-10) и (1-11)записатьU x  awxn(1-12)U y  C9U x w y / wx .(1-13)Для опытной проверки соотношения (1-13) была выполнена калибровкапреобразователя по обеим компонентам скорости wx и wy.

Использовалсядвухкомпонентный преобразователь с диаметром чувствительного элемента40≈ 40 мкм. Измерения проводились на экспериментальной установке,схематичное изображение которой представлено на рис. 1.9. Установкапозволяла проводить измерения в магнитном поле. Лоток 2, наполненныйртутью, размещался в зазоре электромагнита.

Размеры лотка 10×50×640 мм.Сверху над лотком располагалась система перемещения волоконнооптического преобразователя скорости относительно неподвижной ртути,состоящая из каретки 4, электродвигателя 7, его источника питания 8,редуктора,направляющих,системышкифовитросов.Волоконно-оптический преобразователь крепился на каретке и имел возможность спомощью специального устройства вращаться вокруг собственной оси. Накаретке была размещена мерная пластина 11. В процессе одного измеренияпреобразователь проходил расстояние 500 мм, которое фиксировалось спомощью5ключей-ограничителейи18.Движениекареткивпротивоположном направлении осуществлялось переключателем ключа 6.129138714101561154321617181Рис.

1.9. Схема тарировочной установки. 1 – магнит; 2 – лоток; 3 – волоконно-оптическийпреобразователь; 4 – каретка; 5, 18 – ключи-ограничители; 6 – переключатель; 7 –электродвигатель; 8, 9 – источник тока; 10 – электронный блок; 11 – мерная пластина; 12,13, 14 – частотомеры, 15 – вольтметр; 16 – источник света (светодиод); 17 – фотоприемник(фотодиод).41Зависимость между средним на мерном участке значением скоростидвижения каретки и средним значением выходного электрического сигнала сволоконно-оптического преобразователя определялась следующим образом.При движении каретки закрепленная на ней мерная пластина попадала воптический зазор фотоэлектронного устройства, состоящего из излучателя 16и фотоприемника 17.

В момент прерывания оптической связи (закрытиемернойпластинойфотоприемника)фотоэлектронноеустройствогенерировало электрический сигнал, с помощью которого запускалсяизмеритель времени 12 (частотомер, работающий в режиме измерениявремени) и специально разработанный электронный блок 10. Одна изфункций блока 10 состояла в частотной модуляции сигнала с зондапреобразователя 3. В качестве счетчиков импульсов в паре с блоком 10Tиспользовались частотомеры 13 и 14. Показания частотомеров N   aUd , где0Т–времяизмерения,τ–текущеевремя,а–коэффициентпропорциональности напряжение – частота. В момент выхода мернойпластины из оптического зазора также генерировался электрический сигнал,после которого прекращалось измерение времени и счета импульсов.Скорость движения определялась путем деления длины мерной пластины навремя нахождения каретки в оптическом зазоре.

Длина мерной пластиныбыларавна50.9мм.Неравномерностьходакареткиопределяласьэкспериментально и не превышала 3 %.В процессе калибровки преобразователь мог поворачиваться вокруг осичувствительного элемента на угол φ. Вид зависимости относительныхзначений выходных сигналов с фотоприемников U  U i / U iмакс , где U iмакс и U i- максимальное и текущее значения выходного сигнала, от угла φ приw  const для двух каналов показаны на рис. 1.10. Как видно из рисунка,сигналы с обоих каналов преобразователя описываются синусоидальнымизависимостями от угла φ, а угол между двумя парами световодов составляет860 и 940.42Рис.

1.10. Сигналы двух каналов фотоприемников в зависимости от угла поворотапреобразователя. 1 – эксперимент; 2 – расчет.Uy, усл. ед.40302010321Wy x 102 , м/с01234102030401234Рис. 1.11. Сигнал Uy в зависимости от wy при различных скоростях 1 – wx×103 = 10.5 м/с; 2– 8.7; 3 – 7.4; 4 – 6.0.При тарировке по найденной зависимости U x  U x ( ) находилось значение   макс , при котором Uy= 0, а Ux принимало значение близкое к своемумаксимуму.

Затем определялась зависимость Ux(wx) при    макс (кривая 5 нарис. 1.8). Следует отметить, что при этой ориентации оптической системыотносительно скорости набегающего потока, несмотря на отсутствиеперпендикулярности (860 вместо 900) между двумя парами светопроводов,кривая Ux(wx) практически не отличается от истинной из-за слабойзависимости Ux от φ при φ= φмакс.. Значение wy задавалось с помощьюповорота преобразователя на угол      макс , причем w sin   wy ,43w cos   wx .

Результаты измерений в диапазоне скоростей 6.0  wx  10.5см/с,  3.2  w y  3.2 см/с приведены на рис. 1.11. Представив полученныеопытные данные в форме (1-13), можно видеть (см. рис. 1.12), что вуказанныхвышедиапазонахзначенийwxиwyэтосоотношениеподтверждается экспериментом.6Uy/wx0.77, усл.

ед.42321Wу*108, м/с02134246Рис. 1.12. Результаты обработки опытных данных с использованием соотношения (1-13).Обозначения см. на рис. 1.11.Подытоживая вышеизложенное, отметим, что соотношения (1-12) и (1-13)могут служить основой достаточно простого алгоритма обработки сигналовволоконно-оптическогопреобразователя,позволяющегоодновременноизмерять две компоненты скорости.1.2.2.2.

Лабораторная технология изготовления волоконно-оптическихпреобразователей скорости жидкого металлаВолоконно-оптические преобразователи скорости имеют относительномалые размеры и сложную конструкцию. Лабораторная технология ихизготовления состоитиз нескольких операций и проводится с помощьюоптических микроскопов. За основу процесса изготовления преобразователейбыла взята лабораторная технология, описанная в работе [1.70]. Нами былиусовершенствованынаиболеетрудоемкиеоперации,связанныесизготовлением преобразователя перемещений.Вкачествематериала,изкоторогоизготавливалисьдеталипреобразователя, использовалось обычное стекло, которое технологично иобладает наилучшими с точки зрения соотношения чувствительности и44динамических характеристик преобразователя физическими свойствами[1.50].

Отдельные этапы процесса изготовления преобразователя схематичнопоказаны на рис.1.13 ÷ 1.19.10.8 мм8 мм240 мкм3РРис. 1.13. Схема изготовления чувствительного элемента – конуса. 1 – стеклянная трубка;2 – нагреватель; 3 – груз.10.15 мм23РРис. 1.14. Схема оттягивания светопроводов. 1 – светопроводы; 2 – нагреватель; 3 – груз.На первом этапе изготавливались чувствительный элемент – конус (рис.1.13) и четверка оттянутых светопроводов (рис. 1.14). Конус изготавливалсяиз тонкостенной стеклянной трубки 1 с внешним диаметром 0.8 ÷ 0.9 мм и45толщиной стенки 0.1 мм. В вертикальном положении с помощьюэлектрического нагревателя 2 трубка нагревалась до температуры плавлениястекла и под действием груз Р оттягивалась на конус.

Затем с помощьюножниц и специального резца из конической заготовки изготавливалсяусеченный конус, имеющий длину 8 мм и диаметр в узкой части 30 ÷ 40 мкм.30 мкм15243а)б)в)Рис. 1.15. Схема изготовления волоконно-оптического преобразователя перемещений. 1 –светопроводы; 2 – точечный нагреватель; 3, 5 – держатель; 4 – резец.Волоконно-оптичекаясистема,состоящаяиздвухвзаимноперпендикулярных светопроводов, была выполнена из предварительноскрепленных четырех светопроводов, каждый диаметром 150 мкм (см.