Можно ли использовать в качестве чувствительного элемента

Лекция 23

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ (часть 2)

Рассмотрим принцип работы датчиков с оптическим волокном в качестве чувствительного элемента. Это датчики типа интерферометра, датчики на основе изменения потерь, датчики распределения (последовательного и параллельного типа).

На основе изменения фазы световой волны, распространяющейся по оптическому волокну, можно создать волоконно-оптический интерферометр для высокоточных измерений различных величин: давления, температуры, напряженности магнитного и электрического поля, электрического тока и напряжения, расхода вещества и др.

На основе изменения потерь на микроизгибах волокна можно создать датчик давления и другие, а датчики, реагирующие на изменение потерь передачи, могут служить для измерения параметров радиоактивного излучения.

Для работы волоконно-оптического чувствительного элемента датчика можно использовать изменение фазы распространяющейся по оптическому волокну волны, поляризации, угла вращения плоскости поляризации, изменение потерь, явление рассеяния света под воздействием внешних факторов.

Классификация систем чувствительных элементов на оптическом волокне приведена на рис. 23.1. На рис. 23.1, а представлена схема интерферометра с оптическим трактом, реализованным на одномодовом волокне либо на одномодовом волокне с сохранением поляризации. В одномодовом оптическом волокне распространяется только мода НЕ11, являющаяся основной. Эта мода приближенно может считаться линейно поляризованной, причем распределение интенсивности в поперечном сечении луча подчиняется закону Гаусса, что позволяет сравнительно просто добиться устойчивой интерференции. В действительности же в обычном многомодовом оптическом волокне возможно распространение двух мод НЕ11 с ортогональной поляризацией. При этом в силу неидеально круглой формы поперечного сечения оптического волокна между модами возникает разность фаз, в результате чего выходящий из оптического волокна свет обычно становится эллиптически поляризованным.

В интерферометре при таких условиях интерференционные полосы оказываются размытыми, поэтому необходим ввод поляризатора или использование оптического волокна с сохранением поляризации. Кроме того, в датчиках типа интерферометра, как правило, требуется принимать меры против дрейфа нуля, изменения масштабного коэффициента, ухудшения линейности. Интерференционное измерение — измерение расстояний в длинах световых волн или времени в периодах световой волны обычно гарантирует высокую чувствительность. Использование оптического волокна в виде кольца с большим количеством витков увеличивает протяженность связи с измеряемым объектом и позволяет тем самым еще больше повысить чувствительность датчика.

В датчиках типа интерферометра наиболее типичными измеряемыми величинами являются температура, длина, давление. В соответствии с их колебаниями изменяется длина и коэффициент преломления оптического волокна, а в результате изменяется и фаза распространяющегося в нем света. Измеряемые величины преобразуются в любую из указанных трех величин, например, с помощью нанесенного на оптическое волокно соответствующего покрытия. Разработаны амперметры на оптическом волокне с алюминиевым покрытием, акселерометр со сжатием (или растяжением) оптического волокна от перемещения груза, измерители напряженности магнитного поля и напряженности электрического поля — с покрытием оптического волокна соответственно из магнитострикционного и электрострикционного материала или с оптическим волокном, намотанным на цилиндр из этих материалов. Кроме того, возможны различные другие конструкции подобных датчиков на оптическом волокне.

На рис. 23.1, б представлена схема датчика, в котором используется вращение плоскости поляризации. Он соответствует измерителю тока или напряженности магнитного поля на эффекте Фарадея.

Показанный на рис. 23.1, в чувствительный элемент на основе изменения потерь применяется его в датчике давления, концентрации газа и радиоактивного излучения.

На рис. 23.1, г представлена схема датчика распределения, измеряющего коэффициент отражения методом наблюдения за формой отраженного сигнала. Этот метод был разработан с целью обнаружения мест разрыва оптического волокна в линии связи и определения потерь вдоль оптического волокна. Он предусматривает измерение очень слабого света обратного рэлеевского рассеяния в системе с высоким отношением сигнал/шум.

Чувствительный элемент (ЧЭ) является первым звеном регулятора и предназначен для измерения входной величины. От ЧЭ требуется определение не только знака отклонения, но и его величины. Поэтому ЧЭ называют измерительным элементом или первичным преобразователем, так как измерение регулируемой величины всегда сопровождается изменением ее физической природы. Наиболее распространенными входными величинами в САУ ГТД являются давление и обороты. Для давлений измерительный элемент удачно компонуется с задатчиком командного давления. В этом случае такой объединенный узел называется элементом сравнения.

К ЧЭ предъявляются жесткие требования. Прежде всего они должны производить измерения с требуемой точностью, т.е. должны обладать требуемой чувствительностью, под которой понимают отношение  в размерной форме, или отношение  в безразмерной форме, где — отклонения выходной и входной величин, а ,  — базовые значения тех же величин.

Кроме того ЧЭ должен на выходе обеспечивать достаточно большие усилия при минимальной инертности. Уплотняющие элементы не должны создавать большого трения покоя. Характеристика связи выходной и входной величин по возможности должна быть линейной. ЧЭ должны быть надежны и стойки к внешним воздействиям.

Классификация ЧЭ обычно производится по виду измеряемой величины. Рассмотрим основные типы чувствительных элементов.

Элементы для измерения давления. Конструктивные типы ЧЭ для измерения давления довольно разнообразны. Однако для пневмогидравлических регуляторов наибольшее распространение получили сильфонные и мембранные измерители. В табл. №1 приведены основные измерители давления и их динамические характеристики.

Мембранный чувствительный элемент преимущественно применяется в регуляторах с усилителями вследствие того, что имеет малую величину перемещений. Необходимые перестановочные усилия обеспечиваются выбором площади мембраны. Для увенличения перемещений и чувствительности мембраны выполняются с кольцевыми гофрами. Для увеличения стойкости к перегрузкам опорные поверхности профилируют по упругой линии мембраны с таким расчетом, чтобы под действием перегрузочных давлений материал мембраны не вытягивался в местах, близких к заделке.

Таблица №1 Чувствительные и сравнивающие элементы для измерения давления

Применяют и обратный прием, профилируя по толщине мембрану так, что при заданном максимальном перемещении упругая линия мембраны принимает заранее заданную форму, по которой выполняются ее ложементы. При таких условиях мембранные элементы имеют нелинейную статическую характеристику. Линейный участок характеристики обеспечивается лишь величиной хода мембраны, но усилие перемещения определяет только центральная часть мембраны, площадь которой называют эффективной площадью мембраны. Принимается, что для гладких мембран эффективная площадь составляет 1/3 от всей площади мембраны. Для увеличения силы перемещения мембраны ее центральную часть обычно выполняют жесткой. Рекомендуется, чтобы диаметр жесткого центра не превышал 80% от полного диаметра мембраны.

Мембранный чувствительный элемент также легко компонуется в узел сравнения.

Сильфонные элементы часто применяются в регуляторах прямого действия, т.е. в регуляторах, не содержащих усилителя. Они обеспечивают необходимые перемещения и большие перестановочные усилия на исполнительных органах, пропорциональные площади днища сильфона; обладают высокой чувствительностью, которая определяется тольщиной стенки и числом гофров сильфона; имеют линейную статическую характеристику связи выходной величины (перемещение штока) с входной (измеряемое давление). Армированный сильфон хорошо противостоит перегрузкам от сил давления. Наконец, сильфонный элемент легко компонуется с задатчиком командного воздействия в узел сравнения.

Витая манометрическая трубка как чувствительный элемент давления может применяться в регуляторах, если необходимо иметь выходной сигнал в виде углового поворота. Чаще всего эти трубки используются в реостатных датчиках давления.

Индуктивные, емкостные и пъезоэлектрические датчики применяются в специальных регуляторах, требующих на выходе электрический сигнал. Приемником давления этих датчиков является мембрана, которая обеспечивает перемещение на величину, не превосходящую ее толщины.

Элементы для измерения оборотов роторов. Элементы данного типа применяются в САР оборотов двигателей. Различают три вида измерителей – центробежные маятниковые или просто центробежные, гидроцентробежные и электрические чувствительные элементы. Наибольшее распространение на отечественных ТРД получили центробежные маятниковые чувствительные элементы. Принципиальная схема такого элемента приведена на рисунке 3.9. Входная координата для него n – обороты ротора, а выходная – перемещение муфты z.

Он состоит из шарнирно подвешенных грузиков, муфты и пружины. Грузики приводятся вро вращение с помощью валика, кинематически связанного с ротором двигателя. Возникающие при этом центробежные силы нагружают шток с помощью качающихся штифтов осевой силой. С противоположной стороны шток нагружен силой, действующей со стороны пружины. Величина этой силы зависит от положения муфты механизма настройки и положения золотника. Перемещением муфты изменяют силу предварительной затяжки пружины с целью настройки ЧЭ на заданное число оборотов .

Рис. 3.9. Принципиальная схема центробежного маятникового

 чувствительного элемента

Передаточная функция такого ЧЭ имеет вид

;                                (3.9)

с параметрами ; ; .

где с –частота вращения, λ – коэффициент пропорциональности, учитываемый в силе инерции, В – коэффициент жесткости пружины, β – константа демпфирования колебаний.

Таким образом, центробежный ЧЭ удачно компонуется с задатчиком в измерительный узел числа оборотов.

Для обеспечения точности регулирования числа оборотов, прежде всего должна быть обеспечена высокая точность замера регулируемого параметра, т.е. высокая чувствительность центробежного элемента. Причиной нечувствительности измерительного элемента, как уже отмечалось, являются силы сухого трения, возникающие в механизме ЧЭ (на осях подшипников в паре шток–муфта и др.), которые препятствуют осевому смещению штока при изменении центробежной силы грузиков или силы пружины настройки.

Наличие даже небольших по величине (в несколько десятков грамм) сил сухого трения приводит к тому, что в некотором диапазоне отклонения шток не перемещается, т.е. центробежный ЧЭ не реагирует на изменение числа оборотов n до тех пор, пока приращение центробежной силы будет не меньше, чем сила сухого трения. Этот диапазон оборотов называют зоной нечувствительности.

Влияние сил сухого трения на малых оборотах сказывается значительно сильнее, чем на больших, т.е. с уменьшением числа оборотов зона нечувствительности увеличивается. Это обстоятельство является одной из причин ограничения диапазона автоматической работы регулятора числа оборотов.

Для уменьшения зоны нечувствительности предусматривают ряд конструктивных мероприятий, которые заключаются в следующем:

1. Грузики стараются приводить во вращение большим числом оборотов путем применения редукторов;

2.  Оси центробежных грузиков устанавливаются в роторе с помощью шарикоподшипников;

3. Передача усилий от грузиков на золотник осуществляется через качающиеся опорные штифты, исключающие силы трения скольжения;

4. Материалы для изготовления элементов подбирают коррозионностойкие с малым коэффициентом трения.

Чувствительный элемент должен быть безынерционным, т.е. перемещение штока должно происходить вслед за изменением числа оборотов и с минимальным запаздыванием (не более 0,02…0,03 с.). Для этого массы грузиков и штока уменьшают до минимально возможной величины. Уменьшение массы компенсируется увеличением передаточного числа от коробки привода двигателей к регулятору. Уменьшение массовых характеристик центробежного ЧЭ положительно влияет на его устойчивость и характеристики демпфирования. В то же время это обстоятельство ограничивает использование центробежных измерителей в регуляторах прямого действия, требующих большого усилия непосредственного перемещения исполнительного органа. Поэтому центробежный ЧЭ используется в комбинации с усиливающим элементом, как правило гидравлическим.

При малых оборотах коэффициент чувствительности у центробежных ЧЭ мал. Поэтому даже большое отклонение частоты вращения ротора от заданного не приводит к существенному перемещению штока, что свидетельствует о снижении эффективности ЧЭ с уменьшением числа оборотов.

Перемещение штока нелинейно зависит от числа оборотов n, т.е. центробежный измеритель является нелинейным. Причем при малых оборотах статическая характеристика существенно нелинейны и линеаризуется с достаточной степенью точности лишь в малой области изменения n.

Гидроцентробежный чувствительный элемент (рис. 3.10) состоит из валика, кинематически связанного с ротором двигателя, крыльчатки 1, сильфона 2, пружины 3 и регулировочной муфты 4. К крыльчатке подводится рабочая жидкость (масло или топливо) под давлением . Давление в рабочей полости ЧЭ, создаваемое вращающейся крыльчаткой, передается на днище сильфона, связанного со штоком 5. В режиме стабилизации давление жидкости уравнивается силой, действующей со стороны пружины.

Изменение числа оборотов n приводит к изменению давления рабочей жидкости за крыльчаткой и перемещению штока 5. Настройка ЧЭ на заданное число оборотов   как и для центробежного маятникового регулятора осуществляется посредством перемещения муфты 4.

Рисунок 3.10 – Схема гидроцентробежного чувствительного элемента

Гидроцентробежные ЧЭ могут применяться в регуляторах прямого действия, поскольку они могут обеспечивать необходимые перемещения и большие усилия на исполнительные органы.

Основным эксплуатационным недостатком гидроцентробежных измерителей является его чувствительность к плотности рабочей жидкости, влияющей на величину давления в рабочей полости. Причем плотность зависит как от сорта рабочей жидкости, так и от температуры. Последняя может изменяться в процессе работы двигателя.

Элементы для измерения расходов. Расход топлива для ГТД является прямым параметром при стабилизации оборотов. Определенные преимущества имеет выбор расхода в качестве косвенного параметра регулирования тяги. Однако практически все чувствительные элементы расхода обладают большой инертностью и не имеют прямого выхода с усилием, достаточным для перестановки регулирующих органов. Поэтому в автоматике ГТД расход измеряется косвенно – по давлению или перепаду давлений в магистрали подвода топлива к форсункам.

Дроссельные профилированные расходомеры (трубки Вентури) выходным сигналом имеют перепад давлений, который необходимо измерять дополнительными устройствами. Сам ЧЭ вносит дополнительное сопротивление в тракты топливоподачи. Статическая характеристика дроссельного расходомера – нелинейная (параболическая). В динамике дроссельный расходомер – ярко выраженное колебательное звено, а введение демпфирования в измерительный тракт приводит к потере быстродействия.

Таблица №2  Чувствительные элементы для измерения расхода

Ротаметрический расходомер, несмотря на прямой выход-перемещение, чрезвычайно чувствителен к продольным и боковым перегрузкам и различным шумовым помехам. Его применение возможно лишь в условиях стендовых испытаний.

Турбинный электромагнитный расходомер, принцип действия которого основан на замыкании магнитного поля многолопастным поворотным якорем (вертушкой), имеет выходной электрический сигнал в виде частоты замыкания магнитного поля.

Электромагнитный индукционный расходомер основан на эффекте индукции. При пересечении магнитных силовых линий электропроводящей жидкости в ней индуцируется электродвижущая сила, пропорциональная скорости движения жидкости. Несмотря на высокие динамические качества расходомер имеет два существенных недостатка – выходной сигнал слаб и реализуется только лишь токопроводящими жидкостями. Такими свойствами обладают не все жидкости, применяемые в автоматических системах.

Тепловой расходомер (термоанемометр) является высокочувствительным, но одновременно и инерционным измерителем. Высокая чувствительность с одновременной компенсацией инерционных свойств требует применения очень тонких проволочек (примерно 5мкм), что не обеспечивает необходимой прочности измерителя. Кроме того, для него необходима специальная измерительная аппаратура с большим коэффициентом усиления. Это приводит к понижению стабильности работы измерительного устройства. Тепловой расходомер применяется для измерения движения скорости газовых потоков.

Элементы для измерения температуры. Непосредственное измерение и регулирование температуры газа за газотурбиной в газогенераторах является одним из перспективных средств контроля и управления двигателями.

Термопары – наиболее широко распространенный тип измерителя температуры. Основным их недостатком является инерционность и слабый выходной сигнал. Однако сигнал одной термопары можно усилить последовательным включением нескольких термопар, а инертность – введением дифференцирующих корректирующих звеньев в цепи усиления сигнала.

Термометр сопротивления является достаточно точным регистратором низких температур потоков газа или жидкости, особенно с применением сетчатых сопротивлений, установленных поперек потока.

Тепловые реле как ограничители могут использоваться для управления температурой в пределах допустимых отклонений. В них применяются термоэлементы в виде биметаллических пластин.

Рассмотренные температурные датчики требуют для применения их в регуляторах специальных сравнивающих и задающих устройств.

Таблица №3 Чувствительные элементы для измерения температуры