Глава 4. Измерения динамических параметров в рабочем теле. Методы и приборы

Большинство задач, возникающих на практике, требуют для своего решения проведения экспериментальных исследований. Современный аэродинамический эксперимент включает в себя широкий комплекс измерений параметров газового потока, об­текающего модель, а также сил и моментов, возникающих при этом.

Измерение давления, скорости и температуры газового потока играет важную роль в аэродинамическом эксперименте, поскольку эти параметры входят в расчетные формулы для определения аэродинамических характеристик различных тел. Для измерения этих параметров соответствующий прибор помещают в интересующую нас точку потока. Очевидно, что присутствие прибора в потоке будет искажать его. Поэтому существенное требование к этим приборам заключается в том, что величина возмущений, создаваемых прибором, должна быть достаточно мала по сравнению с измеряемой величиной.

1. Измерение давлений

1.1. Способы измерения давления. Статистическое и полное давление.Давление измеряют либо в потоке жидкости или газа, либо на поверхности твердых тел.

Измерение давления в потоке выполняется с помощью двух приборов: один из них (приемник давления) устанавливается в точке, где измеряется давление, другой, регистрирующий вос­принимаемое давление, может находиться вне потока. Давление на поверхности твердого тела измеряется путем дренирования его стенок.

В качестве приборов, измеряющих давление, применяются манометры.

Диапазон измеряемых давлений в аэродинамике достаточно велик - от полного вакуума (в трубах свободномолекулярного течения) до нескольких сотен и даже тысяч атмосфер (ударные трубы). Точность манометра повышается за счет чувствитель­ности, а это, в свою очередь, связано с уменьшением диапазона измеряемых давлений. Чрезмерно высокая чувствительность снижает точность, так как прибор начинает реагировать на ма­лые возмущения. Необходимым требованием является линей­ность шкалы прибора.

По принципу действия приборы для измерения давления делятся на следующие: жидкостные манометры; манометры ме­ханического типа с упругими чувствительными элементами; электрические датчики давления; вакуумметры — манометры для измерения малых абсолютных давлений (применяются при измерении давлений не более 1 мм рт. ст.).

При измерении давлений приходится иметь дело с абсолют­ным и избыточным давлениями и перепадом давлений. Абсо­лютное давление (р) — это давление, отсчитываемое от полного вакуума. Именно это давление используется в большинстве тео­ретических формул. Избыточное давление (р_Изб)— это разность между абсолютным давлением и атмосферным (р₀) (баромет­рическим):

.

Отрицательное избыточное давление называется разрежением. Большинство приборов измеряют избыточное давление, поэтому понятием избыточного давления часто пользуются в экспери­ментальных исследованиях.

Перепадом давления (∆p) называется разность между дав­лениями в двух различных точках:

∆p=p₁-p₂.

При исследовании стационарных течений различают стати­ческое, динамическое (скоростной напор) и полное давления.

Статическое давление (p_ст) — это давление в невозмущен­ном потоке, т. е. давление, которое измерил бы прибор, дви­гаясь вместе с частицами газа,

полное давление — давление торможения (р_п) — это давление, которое было бы, если поток в рассматриваемой точке изоэнтропически затормозить. Соот­ношение между полным и статическим давлениями дает инте­грал Бернулли (см. (1.9), гл. I). Измерение полного давления используют для определения скорости потока.

Разность между полным и статическим давлениями назы­вают динамическим давлением. Как следует из уравнения Бер­нулли, для несжимаемой жидкости динамическое давление равно скоростному напору q =0.5ρv²ⁱ.

1.2. Приемники давления.Основное требование к конструк­ции приемников давления состоит в том, чтобы они минимально возмущали поток.

Приемники статического давления можно разбить на 2 группы. К первой группе относятся приемники в виде_насадков. Это пустотелые цилиндрические трубки (диаметром d) с обтекаемым закрытым носком. В дозвуковом потоке применяют насадок Прандтля (рис. 33) с головкой в виде полусферы. На боковой поверхности насадка на расстоянии (3-=-8)d, где давление становится равным невозмущенному потоку, высверливается 4-8 отверстий диаметром 0.1d или же делается щель.

Преимуществом этого насадка является его малая зависимость от направления потока: отклонение оси насадка на ±8% не влияет на его показания.

Для измерения статического давления в сверхзвуковом токе применяют насадки с конической (рис. 34) или ожимл. ной головками (рис. 35), а также насадок в виде полуклина (рис. 36). Необходимо лишь позаботиться, чтобы угол заострения был меньше предельного угла, при котором скачок отходит от головки.

Ко второй группе относятся насадки, у которых имеется участок поверхности с образующими, параллельными направлен набегающего потока. Наиболее распространены насадки, имеющие форму диска или осесимметричного тела (рис. 37)

Статическое давление на стенке или вблизи стенки трубы можно измерить с помощью отверстия в стенке, причем h/d>3, d = 0,2 мм (h — толщина стенки, d — диаметр отверстия). Статическое давление обычно измеряют как избыточное давление.

Рис. 34. Конический насадок для измерения статиче­ского давления.

Рис. 35. Насадок с оживальной головкой для из­мерения статического давления.

Рис. 36. Схема измерения давлений на Рис. 37. Насадки для измерения
клиновидном насадке для определения статического давления.

числа Моо потока. а—дисковый; б—осесимметричный.

Рис. 38. Насадок Пито для измере­ния полного давления, а —схема обтекания насадка дозвуковым потоком (/ — изогнутая приемная трубка, 2 — штуцер); б —схема обтекания приемного отверстия сверхзвуковым потоком.

В качестве приемника полного давления используется наса­док Пито. Это изогнутая цилиндрическая трубка с приемным отверстием, обращенным против потока (рис. 38). Если трубку соединить с манометром, то измеренное полное давление для несжимаемого потока будет

(1)

для сжимаемого потока давле­ние торможения

(2)

В сверхзвуковом потоке пе­ред головной частью насадка образуется скачок уплотнения, за которым газ тормозится уже при дозвуковой скорости, т. е. торможение потока перед насадком неизэнтропическое. Фактически насадок измеряет давление торможения за пря­мым скачком

(3)

Здесь р₂, М₂— давление и чис­ло Маха за скачком, опреде­ляемые из условий динамиче­ской совместности для пря­мого скачка:

(4)

, (5)

где р₁, M₁ — параметры до скачка.

Приемное отверстие насадка делают значительно меньшим, чем наружный диаметр трубки, чтобы отверстие полностью на­ходилось за прямым скачком, где головная волна еще не при­обрела искривления.

Следует заметить, что приведенные выше формулы справед­ливы лишь при движении сплошной среды. При измерениях в разреженном газе, когда путь свободного пробега молекул сравним с размерами приемника давления, либо вводятся экс­периментально определяемые поправки, либо применяются дру­гие методы измерений (см. лабораторную работу 18).

1.3. Жидкостные манометры.Различают жидкостные мано­метры непосредственного отсчета и манометры «нулевого» типа. В манометрах непосредственного отсчета обычно измеряется разность высот между двумя менисками жидкости в сообщаю­щихся сосудах.

Рис. 39. U-образный манометр.

Простейшим манометром такого типа является U-образный манометр (рис. 39). Он состоит из двух вертикальных стеклян­ных трубок, соединенных между собой. К обоим трубкам подводят давления, разность которых надо изме­рить. Эта разность уравновешивается весом жидкости . . Изменяя высоту трубок и удельный вес жид­кости (γ), можно изменять диапазон измеряе­мых давлений. Для предотвращения выброса жидкости из манометра при резких измене­ниях давления на концах трубок сделаны ло­вушки. Применение калиброванных стеклян­ных трубок с достаточной чистотой внутрен­них стенок и жидкости, хорошо смачивающей стенки манометра (спирт, толуол), позволяет практически точно измерять разность подво­димых давлений. В то же время простота изготовления U-образных манометров опреде­лила их широкое применение на практике..

Недостатком этих манометров является то, что при отсчетах приходится следить за пере­мещением двух менисков, что приводит к по­грешности в измерениях до 1—2 мм. Этот не­достаток устраняется в бачковом манометре. Он представляет собой U-образный манометр, у которого одна из трубок имеет значительно большее сечение (бачок), чем дру­гая. Большее давление подводится к бачку. Разность давлений, измеряемая байковым манометром, определяется выраже­нием

. (6)

Здесь f и F — площади сечения трубки и бачка; h — высота столбика жидкости в трубке; γ— удельный вес жидкости.

Существует большое число различных конструкций мано­метров бачкового типа, однако принципиального различия между ними нет. Одним из наиболее совершенных среди них является микроманометр ЦАГИ (рис. 40), у которого точность измерений увеличена за счет применения наклонной трубки, на которой нанесена миллиметровая градуировка.

Разность давлений, подведенных к микроманометру, урав­новесится весом столбика жидкости в наклонной трубке

, (7)

где h₁ — высота столбика жидкости в трубке, a h₂ — падение уровня жидкости в бачке.

Рис. 40. Внешний вид чашечного микроманометра. / — основание; 2 — регулирующий установочный винт; 3 — чашка; 4 — подводящий штуцер; 5 —переключающее устройство; 6~от- счетная трубка; 7 —сектор; 8 — отверстие для фиксации наклона отчетной трубки; 9— фиксирующий штифт.

Обозначим угол наклона трубки через а, а отсчет по шкале наклонной трубки через h. Тогда ,с другой стороны, .После исключения h1 и h2связь(7)запишем в виде , (8) где коэффициент микроманометра, его величина определяется тарировкой (см. лаб. работу 1). Из формулы (8) видно, что чувствительность микроманометра можно повысить за счет уменьшения удельного веса жидкости γ, угла наклона трубки αи отношения площадей f/F (у современных микроманометров f/F < 0,01).

Для уменьшения эффекта капиллярности применяют калиброванные стеклянные трубки, у которых выдержано с большой степенью точности постоянство поперечного сечения.

Температурная поправка вводится по формуле

, (9)

где α — коэффициент объемного расширения жидкости. В жид­костных манометрах применяются различные жидкости: вода, керосин, спирт, эфир, толуол, ртуть. Жидкости должны обла­дать малой вязкостью, обеспечивающей большую быстроту от­счетов; небольшой капиллярной постоянной, уменьшающей влияние смачивания; неболь­шим коэффициентом теплово-вого расширения; малой сте­пенью испарения; отсутствием склонности к загрязнению. Ча­ще всего на практике приме­няют спирт, толуол и ртуть.

Рис. 41. Бачковый микромано- Рис. 42. Поплавковый мано­ метр нулевого типа. метр. 1 — наклонная трубка; 2—шкала для / — лилиндрическнй резервуар; отсчета угла поворота винта; 3 — гиб- 2 — кольцевой резервуар; 3 — шкала; кие трубки; 4 — оптическое устрой- 4 — наблюдательное окно; 5— микро- ство; 5 — шкала для отсчета числа скоп; 6 — микрометрический меха- оборотов винта; 6—микрометриче- низм. ский винт; 7 — резервуар.

Кроме рассмотренных выше жидкостных манометров на практике применяются микроманометры нулевого типа и поплавковые. В микроманометре нулевого типа (рис. 41) уровень жидкости поддерживается в неизменном нулевом положении по отношению к стенкам капиллярной трубки. Наклонная трубка неподвижна. Для уравновешивания разности давлений (p₁ — р₂) перемещают резервуар. Это позволяет производить наблюдение за мениском с помощью оптического устройства. В поплавко­вых микроманометрах (рис. 42) вместо положения мениска жидкости определяют положение твердого тела поплавка, на котором укреплена шкала.

В ряде случаев возникает необходимость одновременно определять давление в большом количестве точек. Для этого применяют жидкостный батарейный манометр, представляю­щий собой разновидность бачкового манометра с батареей калиброванных трубок, на которых можно одновременно фиксировать уровни жидкостей (рис. 43). Для увеличения точности измерений батарей­ные манометры делаются так­же наклонными.

1.4. Манометры механического типа. Для измерения больших разностей давлений, соответствующих высоте ртутного столба более 2—3 м,применяются манометры механического типа с упругими чув­ствительными элементами и различного рода датчиками давлений. Величина измеряемого давления определяется двумя способами: измерением деформации упругого элемента или измерением ^силы, требуемой для устранения деформации (так называемый метод силовой компенсации). Деформации упругих элементов измеряются с помощью кинематических механизмов, оптических устройств или электрическим способом. Кинематические, стрелочные ме­ханизмы и оптические устройства применяются в пружинных манометрах, электрические — в датчиках давления.

Метод силовой компенсации более точный, так как свободен от влияния гистерезиса, но требует большего времени на от­счет. Поэтому при измерении быстроменяющихся давлений применяется первый метод, при измерении медленно меняю­щихся давлений — второй.

Различают три вида упругих чувствительных элементов:

· трубчатая пружина (пружина Бурдона);

· плоская или гофрированная мембрана;

· сильфон.

Пружина Бурдона представляет собой согнутую по дуге окружности полую трубку, один конец которой запаян. К дру­гому концу трубки подается давление. Закрытый конец трубки свободен, его перемещение с помощью кинематического меха­низма передается стрелочному указателю, отмечающему вели­чину измеряемого давления на круглой шкале. Манометры с пружиной Бурдона (рис. 44) применяются при измерении больших давлений (до 50 кгс/см²). Погрешность этих маномет­ров велика (14-3% от предела шкалы измерения).

Плоская мембрана представляет собой тонкую пластинку, зажатую по круговому контуру (рис. 45, а).

Рис. 44. Схема манометра с пружи­ной Бурдона. Г — пружина; 2 — стрелки; 3 — цепь; 4 — шту­цер

Чувствительность плоской мембраны обратно пропорциональна квадрату ее соб­ственной частоты. Чувствительность мембранного манометра зависит и от способа измерения деформации мембраны. Диапа­зон измеряемых давлений в зависимости от толщины мембра­ны достаточно велик: от сотых долей миллиметра ртутного столба до тысячи атмосфер. Поскольку абсолютные деформации мембран очень ма­лы, они измеряются оптиче­скими или электрическими ме­тодами. Гофрированные мемб­раны позволяют получить большие перемещения, чем плоские мембраны. Для боль­шего увеличения хода гофри­рованные мембраны изготов­ляют в виде коробок, кото­рые объединяют в блоки (рис. 45, б).

В последнее время широ­кое применение находят мано­метры, в которых в качестве чувствительного элемента ис­пользуются сильфоны. Сильфон — это тонкостенная цилиндрическая трубка с рав­номерными складками (гофрами) (рис. 45, в). Наличие боль­шого числа гофров позволяет получать значительные переме­щения подвижного донышка при сравнительно небольших перепадах давлений. Сильфоны и блоки гофрированных коробок применяются в манометрах с силовой компенсацией с исполь­зованием автоматического рычажного весового элемента. Точность измерения такими манометрами в пределах 0,5ч-1%, а диапазон измеряемых давлений от полного вакуума до 20 атм.

Рис. 45. Упругие элементы для измерения давления. а — плоская мембрана; 6 — гофрированная мембрана и блок ане-роидных коробок; в — сильфоны.

Современный эксперимент требует создания приборов, регистрирующих давление с малым запаздыванием и одновременно в нескольких точках. Этому условию отвечают механические многоточечные манометры. Широкое применение в аэро­динамических лабораториях нашел групповой регистрирующий манометр (ГРМ).

-

Рис. 46. Схема рычажного весового элемента группового регистрирующего манометра.

1 — штуи.ер; 2— основание; 3 — енльфон; 4— упругий шарнир подвески; 5—рычаг; 6—подвижный контакт; 7 — неподвижные контакты; 8 — вин­товая измерительная пружина; 9— гайка измерительной пружины; 10— винт; 11— бумажная лента; 12—механизм печати; 13—-механизм регистрации; 14 — визуальный винт; /5 —шкала; 16 — указатель; 17 — электромагниты; 18 — ролик; 19 — групповой вал; 20 — электро­двигатель привода; 21 — диски привода.

В этом приборе силы от давления на дно сильфона уравно­вешиваются пружинами, один конец которых соединен с рыча­гом, а другой — со специальным натяжным устройством, смонтированным на неподвижном основании. ГРМ имеют двадцать рычажных весовых элементов, связанных между собой общи электрическим приводом и механизмом печати показаний набумажной ленте (рис. 46). В верхней части прибора расположены шкалы для визуального отсчета показаний прибора.

Измерение давления воздушного потока осуществляется следующим образом. Давление в исследуемой точке по резиновому шлангу подводится к штуцеру / сильфона 3, установленному на рычаге 5. Рычаг 5 работает как весовой элемент. При падении давления в сильфоне рычаг замыкает верхний контакт а при повышении — нижний контакт 7. При этом включаете соответствующий электромагнит 17, который притягивает пластинку с роликом 18. Через этот ролик вращательное движение передается на винты 10 и 14, которые приводят в действие механизм регистрации показаний прибора 13. Одновременно вращение винтов вызывает перемещение гайки 9 на измерь тельной пружине до тех пор, пока рычаг 5 не окажется в равновесии. Тогда контакты 6—7 разомкнутся и цепь питания электромагнитов 17 разорвется. В этот момент показание прибора будет соответствовать измеряемому давлению. Показания в условных единицах записываются на двух бумажных лентах, перемещение которых осуществляется при помощи специального электродвигателя 20. На каждой ленте фиксируются данные о давлении, соответствующие декаде-группе из десяти измерительных каналов. Лента имеет одиннадцать колонок отпечатков. Крайняя левая из этих колонок содержит индекс манометра, номер декады и номер замера. В других колонках каждая, из которых соответствует определенному каналу, сверху и снизу расположены две шкалы. Верхняя шкала по отношению к нижней является нониусом. Расчет давления осуществляется по формуле

где No и N — показания прибора в условных единицах; k — ко­эффициент прибора. Знак перед скобкой зависит от типа при­бора: для манометров с пределами измерения давлений от —1 до 0,2 кгс/см² и от —1 до 1 кгс/см² выбирают знак плюс, а для всех остальных — минус. Современные конструкции манометров ГРМ обеспечивают точность измерений давления при отпечатывании показаний в пределах ±0,5% от максимальной вели­чины измеряемого давления, при визуальном отсчете — ±1,5%.

1.5. Электрические датчики давления. Для измерения очень больших или весьма малых (менее 1 мм рт. ст.) давлений хоро­шие результаты дают манометры, действие которых основано на использовании электрических датчиков давления. Они неза­менимы при измерении быстроменяющихся давлений в неуста­новившихся газовых или воздушных потоках. Принцип действия таких датчиков основан на преобразовании воспринимаемого давления в электрический сигнал с последующим его усиле­нием для более точного измерения.

К такого рода датчикам относятся: потенциометрические, или реостатные, индуктивные, емкостные, тензометрические и пьезоэлектрические датчики.

Рис. 47. Индуктивный датчик давления. 1 — корпус; 2 —обмотки катушек; 3 — выводы; 4 —упругая диафрагма (сердечник).

Потенциометрический датчик работает следующим образом: под действием давления, подводимого к внутренней полости упругого элемента, он деформируется и перемещает по обмотке реостата подвижной кон­такт. Если потенциометр подключить к источнику по­стоянного тока, то величина снимаемого электрического сигнала будет зависеть от положения подвижного кон­такта. Так как перемещение контакта зависит от дефор­мации упругого элемента, то величина электрического сигнала будет зависеть от подводимого давления. Та­кая электрическая схема обеспечивает большой вы­ходной сигнал, который можно фиксировать без до­полнительного усиления.

Чувствительность потенциометрического датчика есть отношение изменения напряжения к приращенному давлению. Такие датчики позво­ляют измерять давления от 2,5 до 320 кгс/см² с частотой его изменения около 50 Гц, что ограничивает их применение в слу­чаях с относительно небольшим отклонением течения от ста­ционарного. Прибором нельзя пользоваться в местах, подвер­женных постоянным вибрациям, которые могут вызвать колеба­ние подвижного контакта и тем самым внести искажения в измерения.

Действие индуктивных датчиков (рис. 47) основано на из­менении индуктивности катушки, вызванном изменением маг­нитного сопротивления цепи, состоящей из сердечника, магнитопровода и ферромагнитного упругого элемента, в качестве которого чаще всего применяют плоскую стальную мембрану. Перемещение мембраны под действием давления изменяет реак­тивное сопротивление катушки, включенной в мостовую схему: появляется сигнал разбаланса, пропорциональный приложен­ному давлению, который регистрируется осциллографом. Эти датчики с точностью до 1-2 % могут измерять давление от не­скольких миллиметров ртутного столба до десятков атмосфер.

Рис. 48. Конденсаторный датчик давле­ния. / — корпус; 2 —неподвижная обкладка; 3 —под­вижная обкладка; 4 — изолирующая прокладка; 5—■ уплотнительная шайба; 6 — гайка.   Рис. 49. Проволочный тензодатчик

В емкостных или конденсаторных датчиках (рис. 48) для измерения деформации упругой мембраны применяется кон­денсатор, одной из обкладок которого является сама мембрана, а другой — неподвижная пластина. Такой конденсатор вклю­чается в соответствующий электрический контур, который вырабатывает сигнал, завися­щий от емкости. Тензодатчик, или тензометрический датчик, исполь­зуется довольно широко в различного рода экспериментальных исследованиях. Наиболее распространен­ ными являются проволочные, фольговые и полупро­водниковые датчики. Проволочные тензодатчики (рис. 49) изготовляются из очень тонкой константановой проволоки диаметром 0,012—0,05 мм и делятся по сопротивлению на три группы: первая — высокого сопротивления (400-1000 Ом); вто­рая— среднего (50—400 Ом); третья—-низкого (1,5—10 Ом).

По форме исполнения датчики бывают витые, решетчатые, зиг­загообразные и т. д. с базами 3, 5, 10, 15, 20 мм и более.

Наиболее распространены следующие типы прово­лочных тензодатчиков: ПБ-Б — проволочные датчики на бумажной основе без защитного слоя бумаги; ПБ-А — проволочные датчики на бумажной основе с защитным слоем бумаги; ПП — проволочные датчики на пленочной основе. Если тензодатчик приклеить к поверхно­сти упругого элемента, то при деформациях этого элемента дат­чик будет деформироваться вместе с ним. Вследствие этого изменится и его сопротивление, величину которого при соответ­ственно выбранной схеме можно определить достаточно точно. Основной характеристикой тензодатчика является коэффициент тензочувствительности

,

где R— сопротивление; I—длина проволоки. Зная можно найти деформацию

.

Используя затем закон Гука , находим напряжение σ, а с ним и давление, действующее на упругий элемент.

Проволочные тензодатчики сохраняют линейность при де­формациях не свыше 1,0—1,5%, их поперечная тензочузствительность лежит в пределах 0,25—1% от продольной тензочувствительности и зависит от количества перегибов проволоки тензорешетки датчика. Существуют два метода определения характеристик тензодатчиков. Первый заключается в опреде­лении характеристик тензодатчика непосредственно на иссле­дуемой детали — применяется весьма редко.

В большинстве случаев применяют второй метод — изучение выборочной партии тензодатчиков. В результате такого ме­тода, имеющего статистический характер, получают средние характеристики серии и среднеквадратичные или предельные отклонения характеристик отдельных датчиков от средних зна­чений в серии. Для снятия основных характеристик тензодат­чиков применяют консольную балку равного сопротивления Т-12, которой можно задавать заранее известные деформации. На эту балку наклеивают исследуемый тензодатчик и опреде­ляют его характеристики.

_Тензодатчики_прзволяют измерять давление в широком диа­пазоне и могут быть выполнены весьма малогабаритными, что очень важно для исследования распределения давления на по­верхности тел. Основной недостаток_тензодатчиков в примене­нии с упругими элементами — это трудность динамической та­рировки, что в значительной степени ограничивает их применение.

Наряду с датчиками из проволоки, фольги или пленки в со­временной тензометрическои практике применяются полупро­водниковые тензодатчики из германиевой дендридной ленты. Высокая чувствительность таких датчиков не требует для ра­боты с ними специальных электронных усилительных устройств. Однако применение таких датчиков ограничено случаями, когда их температура не превышает 45—50 °С. При более высоких температурах точность измерений существенно снижается.

При исследовании нестационарных процессов, например при распространении сильных ударных и взрывных волн, приме­няются пьезоэлектрические датчики.

В пьезодатчиках (пьезокристаллических или пьезокерамических) используется физический эффект появления на гранях пьезокристалла электрического заряда, если к этому кристаллу приложено усилие, совпадающее по направлению с кристал- лографической осью (осью чувствительности). При этом вели­чина заряда пропорциональна приложенному усилию.

Рис. 50. Пьезокристаллический дат­чик давления. / — корпус; 2—пьезоэлемент; 3 — электрод; 4 — фторопластовая мембрана; 5 — изоли­рующая втулка; 6 — вывод

На рис. 50 приведена схема пьезокристаллического датчика давления. Пьезоэлемент 2 расположен между корпусом 1 дат­чика и электродом 3. Через фторопластовую мембрану 4, иг­рающую роль изолятора и предохраняющую пьезодатчик от повреждения, на него передается усилие, вызванное давлением. Возникающий электрический заряд снимается при помощи вы­водов датчика, которыми являются корпус 1 и вывод 6, и измеряется с помощью элект-рошюго усилителя. (Р):

Чувствительность (В) дат­чика определяется отношени­ем величины возникающего электрического заряда (q) к соответствующему давлению (p): B=q/p. Если ввести пьезокристалли­ческий модуль d = q/F, где F = pS (F — сжимающее уси­лие, прикладываемое к пластине датчика площадью S, p — измеряемое давление), то чув­ствительность датчика запишется в виде B=q/p=dS. Датчики из пьезокерамических кристаллов имеют чувствитель­ность в два-три раза большую, чем из кварца. Пьезокерамические датчики позволяют измерять переменные давления с час­тотой от 3 Гц до 2 кГц, в то время как пьезокристаллическими датчиками можно измерять значительно большие частоты (до 50 кГц).

Преимущество пьезодатчиков состоит в их высокой механи­ческой прочности и надежности работы в широком диапазоне температур. Так, пьезокристаллические датчики надежно рабо­тают при температурах от —240 до +260°С, а пьезокерамические — лишь от —55 до +100°С.

1.6. Вакуумметры. Приборы для измерения давления - газа ниже атмосферного называются вакуумметрами_;__Большинство вакуумметров— состоит из двух элементов: датчика — преобра­зователя сигнала давления в электрический сигнал и измери­тельного блока.

По принципу действия вакуумметры делятся на следующие: 1) жидкостные вакуумметры, непосредственно измеряющие давление. К ним относятся обычные жидкостные U-образные манометры и их модификации (термин «манометр», применяе­мый к датчику, имеет более широкое значение — это может быть и вакуумметр и прибор, измеряющий давление выше ат­мосферного); 2) компрессионные вакуумметры, действие которых осно­вано на законе изотермического сжатия идеального газа (ма­нометры Мак-Леода);

3) деформационные вакуумметры, использующие в качестве чувствительного элемента сильфон, мембрану и т. п. Величина деформации чувствительного элемента является мерой дав­ления;

4) теплоэлектрические вакуумметры, использующие зависимость теплопроводности газа от давления. Они делятся на термопарные и вакуумметры сопротивления;

5) ионизационные вакуумметры, в которых используется ионизация газа. Приборы этого плана делятся, в свою оче редь, на:

а) электроразрядные, в которых мерой давления служит ток разряда, возникающий при низких давлениях под действием электрического и магнитного полей,

6) радиоизотопные, ионизация газа в которых осуществляется потоком а-частиц, образующихся при радиоактивном рас­паде,

в) электронные ионизационные, ионизация газа в которых осуществляется потоком электронов.

Области давлений, измеряемые вакуумметрами, приведены на рис. 51.

Все вакуумметры можно разделить на приборы прямого и косвенного действия.

Вакуумметры прямого действия — это приборы, которые непосредственно реагируют на давление газа. Метрические свойства этих вакуумметров могут быть заранее рассчитаны или получены путем градуировки по динамометрическим приборам Величина давления, измеряемого вакуумметрами прямого действия, не зависит от состава газа и его температуры.

К вакуумметрам прямого действия относятся жидкостные компрессионные и деформационные. Эти приборы перекрываю диапазон давлений от 760 до 10^{-5 мм рт. ст. Их относительна;} погрешность тем меньше, чем выше давление.

Вакуумметры косвенного действия измеряют не само давление, а некоторую его функцию и состоят из датчика и радиотехнического измерительного блока. Отсчет давлений у таких вакуумметров зависит от состава газа и его температуры.

Шкалы вакуумметров косвенного действия откалиброваны либо в единицах давления, либо в электрических единицах. В последнем случае к прибору прилагается переводная градуировочная кривая, которая составляется при градуировке прибора по вакуумметрам прямого действия и, строго говоря, верна для условий, воспроизводящих условия градуировки.

Рис. 51. Рабочий диапазон давлений, измеряемых вакуумметрами

Измерение давлений ниже 10~5 мм рт. ст. практически воз­можно только приборами косвенного действия, так как усилия при этих давлениях ничтожно малы (при 10~5 мм рт. ст. усилие составляет 1,3- 10~8 кгс/см2), поэтому давление как нагрузка теряет смысл. При таких давлениях более показателен другой параметр — молекулярная концентрация (n0), т. е. плотность частиц в единице объема, которую и измеряют вакуумметры косвенного действия. Диапазон измеряемых давлений вакуум­метрами косвенного действия от 10~13 мм рт. ст. до атмосфер­ного.

Из-за влияния большого числа трудно учитываемых фак­торов (изменение состава газа, его температуры, сорбционно-десорбционных процессов и др.) погрешность при измерении давления колеблется от 10 до 60% измеряемой величины.

Рис. 52. Схема дат­чика теплового ва­куумметра. 1 — стеклянный кор­пус; 2 — нагреваемая нить; 3 — термопара; 4 — электрические вы­воды, 5 — отламывае­мая часть стеклян­ного корпуса.

Рассмотрим термопарный вакуумметр (ВТ-24), используе­мый для измерения давления воздуха в диапазоне от 10~3 до 1 мм рт. ст. Основным элементом этого прибора является термопарный датчик. Устройство термоиарного датчика ЛТ-1 показано на рис. 52. В стеклянном корпусе датчика 1 смонтирован платиновый подогреватель 2, к средней точке которого присоединена термопара 3. Рабочее положение датчика вертикальное, цоколем вверх. Выводы 4 служат для подключения датчика к электрическому кабелю, соединяющему его с источником питания нити подогревателя, и милливольтметром для регистрации температуры спая термопары. Датчик работает в режиме постоянного тока им кала.

На температуру нити, разогреваемой постоянным электрическим током, оказывает влияние теплопроводность газа, в котором находится эта нить. Теплопроводность зависит от плотности газового потока, т. е. от давления. При изменении давления меняется температура подогревателя и термопары, а следовательно, и термоэлектродвижущая сила, по величине которой оценивают давление. Для этого используются тарировочные графики, которые обычно выполняются заводом-изготовителем вакуумметра.

Измерение датчиком ,ПТ-2 давлений выше 0.1 мм рт. ст. ограничивается тем, что с увеличением давления температура подогревателя падает за счет интенсивного теплоотвода и чувствительность датчика в этом режиме становится недостаточной. Для расширения верхнего предела измеряемых давлений выше 0.1 мм рт. ст. увеличивают ток накала подогревателя ЛТ-2 примерно в два раза. Точность измерения вакуумметром в пределах 10-15%.

Измерение скоростей

2.1. Измерение малых скоростей. Существует много методов, применяемых в практике для измерения скорости потока. Наиболее часто применяют анемометрический и пневмометрический. В основе анемометрического способа лежит непосредственное воздействие потока на приемный элемент прибора — анемометра. Анемометр — это прибор, непосредственно измеряющий величину скорости. IIри певмометрическом способе измеряется давление, по его величине, затем вычисляется соответствующая скорость. В качестве приемников давления применяются различные насадки, рассмотренные в 1. Оба метода имеют свои преимущества и недостатки. Выбор метода зависит от особенностей эксперимента. В практике аэромеханического эксперимента наибольшее рас­пространение получил пневмометрический способ, который при­меняется при измерениях скорости как в дозвуковом, так и сверхзвуковом потоке.

Рис. 53. Анемометры.

Непосредственное измерение малых скоростей от 0,5 до 50 м/с осуществляют с помощью различного рода анемометров (рис. 53). Наиболее распространенный тип анемометров — вертушка. По форме приемного элемента различают чашечные и крыльчатые анемометры. Чашечные работают до скоростей 50 м/с, крыльчатые — до 15 м/с. Принцип работы этих верту­шек одинаков, различие состоит в приемном элементе прибора: в чашечных — полушарие, в крыльчатых — крылышки. Набегающий на приемный элемент поток создает аэродинамическую силу, момент которой относительно оси поворачивает вертушку.

Скорость выражается формулой

где п — число оборотов вертушки; а и b— постоянные прибора, определяемые тарировкой. Вертушки используются в установившихся потоках, поскольку они обладают большой инерцион­ностью и измеряют некоторую среднюю скорость в области, ометаемой колесом. Недостатком вертушки является ее боль­шой размер. Поэтому наиболее широко они используются в ме­теорологии, где масштабы изучаемых величин велики.

Рис. 54. Проволочный датчик термоанемометра. / — нагреваемая нить; 2—поддерживающие стойки; 3 — основание; 4 — корпус; 5 — выводы

При измерении скорости в неустановившихся течениях, а также малых скоростей до 5 м/с применяются термоанемо­метры. Принцип действия термоанемометра основан на извест­ном физическом эффекте зависимости электрического сопро­тивления проводника от его температуры.

Тонкую проволочку (диаметром 0,005—0,2 мм и длиной 3-Ь 10 мм), нагреваемую электрическим током, помещают в поток (направление потока должно быть перпенди­кулярно нити). При ох­лаждении потоком нити ее сопротивление изме­няется: чем больше ско­рость потока, тем больше охлаждение. Включив проволочку в цепь с мостиком Уитстона, измеряют ее сопротивление. Зная тарировочные характеристики прибора, определяют скорость потока. Проволочный датчик изображен на рис. 54.

Различают два метода измерения скорости термоанемомет­ром: метод постоянной силы тока и метод постоянного сопро­тивления. В первом случае проволочка включается в одно из плеч мостовой схемы (рис. 55). После того как поток охладит нить, сопротивление ее изменится и равновесие мостика нару­шится; стрелка гальванометра отклонится па величину, кото­рая будет соответствовать скорости, определяемой по тариро-вочному графику. Этот метод пригоден для измерения малых скоростей (до 5 м/с). При больших скоростях охлаждение про­волочки почти не увеличивается и, следовательно, сопротивле­ние ие изменяется.

Рис. 55. Схема термоане- Рис. 56. Схема термо- мометра с постоянным со- анемометра с постоянным противлением насадка. напряжением накала. Г —термонасадок; l' —вольтметр; Г —термонасадок; G —галь- А — амперметр; G — гальвано- нанометр. метр.

Более широко применяется второй метод — метод постоян­ного сопротивления. Схема включения проволочки (термона­садка) изображена на рис. 56. По этой схеме сила тока, проте­кающего по проволочке, регулируется. Этот метод иногда называют нулевым, так как стрелка гальванометра при измерениях поддерживается на нуле с помощью реостата, увеличивающего или ослабляющего ток накала. По силе тока, измеренной анемометром, определяют величину скорости, используя график предварительной тарировки прибора.

Если в схему ввести осциллограф, то термоанемометром можно будет фиксировать нестационарные процессы, характеристики турбулентности и т. д.

По сравнению с другими приборами термоанемометры имеют ряд преимуществ: а) малую инерционность, б) высокую чувствительность, причем с уменьшением скорости чувствительность увеличивается, в) малые размеры, что особенно важно при измерениях в пограничном слое. Нижний предел измеряемых скоростей около 0,1 м/с. Эти скорости сравнимы но величине со скоростями конвективных течений воздуха относительно нагретой проволочки.

Рис. 57. Трубка Пито — Прандтля

При измерении скорости пневмометрическим способом измеряют давление в потоке, а скорость вычисляют по измеренному давлению, чаще всего по перепаду давлений полного и статического. Наиболее распространенным типом прибора для измерения перепада давлений является комбинированный насадок Пито — Прандтля (рис. 57).

Насадок состоит из двух трубок, концентрически расположенных одна в другой, трубки полного давления Пито и трубки статического давления Прандтля. Если противоположные концы трубок соединить с микроманометром, то он зафиксирует разность между полным р„ и статическим р_ст давлениями. Принимая во внимание, что во внутренней трубке v₁=0, из уравнения Бернулли ( ) получим выражение для полного давления в виде , откуда скорость определится по формуле

.

Здесь - поправка на сжимаемость.

Для несжимаемого потока ε= 0 и выражение для скорости имеет вид

. (1)

Разность давлений (р_п — р_ст), подводимая к микроманометру с учетом ( ), определяется выражением

(2)

Подставив (2) в (1) и введя поправочный коэффициент насадка ς,, получим окончательно рабочую формулу для определения скорости при помощи насадка в следующем виде:

, (3)

где F==sinα — фактор наклона шкалы микроманометра. В качестве жидкости, наполняющей микроманометр, применяется спирт, удельный вес которого в зависимости от его температуры определяется по формуле

. (4)

Массовая плотность воздуха с учетом поправки на отклонение температуры и барометрического давления от нормальных условий (15°С и 760 мм рт. ст.) определяется по формуле , где κ=с_p/c_v.

Коэффициенты насадка ς, и микроманометра k определяются специальной тарировкой.

Наименьшая скорость, измеряемая насадком типа Пито — Прандтля с точностью до ±1%, равна 5 м/с. Однако на практике измеряют и несколько меньшие скорости: 1—2 м/с. Верхний предел применимости насадка М = 0.85.

Необходимо иметь в виду, что при измерении больших до­звуковых скоростей отверстия, воспринимающие статическое давление, работают неправильно. Так, начиная с М≈ 0,7 погрешность может доходить до 5% от величины скорости, а на­чиная с М≈0,85 — до 10%. Это обусловливается местными кризисными явлениями, связанными с эффектом сжимаемости среды.

При измерении скорости потока с помощью насадка прихо­дится его устанавливать в рабочей части аэродинамической трубы вблизи испытуемого тела. При этом тело в некоторой степени искажает показания скоростной трубки, а трубка в какой-то степени влияет на результаты испытания тела. Чтобы избежать этого, скорость в рабочей части трубы измеряют по перепаду давления в сопле.

Рассмотрим два сечения в аэродинамической трубе: сече­ние I в форкамере или на входе в сопло, сечение II в среднем сечении рабочей части трубы. Введем обозначения: F₁, v₁, p₁— площадь поперечного сечения, скорость и давление в сечении I; F₂, v₂, p₂ — соответственно в рабочей части, т. е. в сечении II.

В современных аэродинамических трубах ядро потока в ра­бочей части оказывается достаточно равномерным, поэтому, применяя уравнение Бернулли и уравнение неразрывности для всего потока в целом (среда несжимаемая), напишем

,

Здесь ζ₂ — коэффициент потерь при переходе от сечения I к се­чению II. Исключая v₁из этих уравнений, получим

, где .

Коэффициент μ, характерный для данной трубы, определяют экспериментально. Измерения скорости по перепаду давления широко применяются в скоростных трубах.

Очень часто на практике надо знать не только величину, но и направление скорости . Для этой цели используют трубку полного давления, показания которой очень чувствительны к малым изменениям направления потока (угла скоса), если ось отверстия трубки установлена под углом 45° к направлению потока. Это свойство нашло широкое применение при конструировании весьма разнообразных насадков для измерения направления потока как в одной плоскости (плоского потока), гак и в двух плоскостях (вертикальной и горизонтальной). Наиболее часто применяемые насадки для этой цели изображены на рис. 58. Одним из наиболее удачных насадков, позволяющих одновременно определять величину и направление скорости, является шестиствольный насадок ЦАГИ (рис. 59)

Рис. 58. Трубчатые масадки с прямым срезом. а м 6 — для плоского потоку; и—лля пространственного потока.	Скос потока, определяемый такими насадками, равен тому углу, на который надо довернуть насадок, чтобы манометр, присоединенный к нему, не показывал разности давлений. При этом ось насадка совпадает с направлением потока. На практике, однако, скос потока часто определяют не по углу поворота, а по разности давлений и тарировочной кривой насадка
Рис. 59. Шестиствольный насадок ЦАГИ. 1 и 4 — отверстия для определения разности давлений при определении напра­вления потока в вертикальной плоскости; 2 — отверстие для восприятия полного давления; Я п 5 — отверстия для измерения разности давлений при определении папрапленпя потока в горизонтальной плоскости; в — отверстия лля восприятия статического давления.

Поиск по сайту: