Применение индуктивных датчиков абсолютного давления в качестве чувствительных преобразователей для волномерных буев

Одним из широко распространенных приборов для измерения параметров морского волнения является волномерный буй (ВБ) с гидростатическим датчиком давления. Этот прибор состоит из плавающего на поверхности волны буя, к которому на кабель-тросе длиной 30–50 м прикреплена гондола с датчиком давления. Датчик измеряет гидростатическое давление, величина которого пропорциональна измеряемой высоте волны.

Режим функционирования датчиков давления в ВБ характеризуется рядом особенностей. Так, диапазон частот измеряемого процесса лежит ниже 1 Гц. Отличительной чертой работы датчика является необходимость выделения сравнительно малого полезного сигнала (0,01–1 кгс/см2) на фоне значительной статической составляющей (3– 6 кгс/см2). Решение этой задачи может производиться либо путем компенсации статического давления в случае применения дифференциального датчика, либо путем компенсации электрического сигнала, пропорционального этому давлению, при использовании датчика абсолютного давления. В последнем случае измерительный преобразователь должен иметь высокую чувствительность. Использование дифференциального датчика давления производилось в широко известном серийно выпускавшемся ВБ типа ГМ-16 [1]. В этом приборе в дифференциальной полости датчика с помощью воздуха создавалось избыточное давление, соответствующее глубине его установки, за вычетом 10 м. Изменение давления воздуха в результате воздействия температуры не учитывалось. Это приводило к уходу нулевой линии от среднего положения на ленте самописца при записях волно-грамм. Кроме того, компенсатор включал в себя резиновый элемент, который с течением времени выходил из строя. После снятия этих приборов с производства и из-за отсутствия запасных частей эта причина приводила к списанию приборов. Известны конструкции волнографов, в которых на дифференциальный вход датчика устанавливался клапан с сильфонным чувствительным элементом, блокировавшим его под воздействием заданного давления. Разблокирование же клапана производилось только после поднятия буя на борт судна. В этом случае мембрана подвергалась значительным нештатным нагрузкам, что сказывалось на ресурсе ее работы.

Таким образом, по разным причинам как в серийных, так и в нестандартизованных средствах измерения волнения ранее не применялись датчики абсолютного давления индуктивного типа. Представляется, что использование датчиков этого типа в волномерных буях имеет ряд преимуществ перед другими. Они не требуют дополнительного клапана, имеют высокую чувствительность и линейность характеристики. Мембраны индуктивных датчиков, выпускаемых авиационной промышленностью рассчитаны для работы в агрессивных средах и т.д. Однако вопрос о применении этих датчиков мог бы быть решен только после исследования их метрологических характеристик

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДАТЧИКОВ

С целью определения метрологических характеристик индуктивных датчиков абсолютного давления в режимах их функционирования в волномерных буях были проведены исследования датчиков типа ИДТ-8 и ИКД6Тда5.

Индуктивный датчик ИДТ-8 предназначен для измерения избыточного давления в жидких и газообразных средах при нормальной и повышенной температуре. Питание датчика осуществляется напряжением 40 В 500 Гц.

40В 500Г

Рис. 1. Схема включения датчика ИДТ-8. 1 — трехсекционный сердечник; 2 — мембрана; I, II, III — обмотки согласующего трансформатора

| датчик

Рис. 2. Схема проведения измерений характеристик датчиков

Схема его включения представлена на рис. 1. Обмотки датчика подключены к согласующему трансформатору по мостовой измерительной схеме, в диагональ которой подается напряжение питания. Согласующие обмотки 1 и 2 трансформатора рассчитаны таким образом, что при отсутствии д рд ,р мотке 3 равно нулю. Индуктивный узел датчика состоит из трехсекционного сердечника, на крайних секциях которого установлены катушки, а центральная связана штоком с мембраной 2. При изгибе мембраны под действием давления, между центральной частью сердечника и крайними его частями изменяется магнитный зазор, что приво- дит к изменению величины магнитного потока в сердечнике и разбалансу моста. Таким образом, на выходной обмотке 3 согласующего трансформатора появляется напряжение, пропорциональное измеряемому давлению.

Аналогичным образом работает и датчик д.

струкции является лишь то, что питание датчика производится напряжением 6 В, а преобразователь переменного тока и выпрямитель расположены внутри корпуса датчика.

Для измерения статических и динамических характеристик в режимах функционирования датчиков они были подключены к устройству ком-

U, в

Рис. 3 . Градуировочная характеристика датчика ИКД6Тда5

4 кгс/см2. С целью определения температурного дрейфа, измерения производились при нормальной +20 С и пониженной +2 С температурах датчика. Указанные значения температур соответствуют предельным, встречающимся на глубинах 30–60 м в любое время года на всех акваториях предполагаемых измерений. Температура датчика достигалась путем его выдерживания в течение двух часов при этой температуре перед проведением измерений. Измерения производились после предварительной компенсации фонового давления с помощью компенсирующего устройства до величины остаточного нулевого напряжения менее 0,001 В. Измерения сигнала датчика производились на диапазоне 50 В с разрядностью три знака после запятой. Для более точного определения значений погрешности датчиков задание каждого значения давлений и регистрация соответствующих напряжений производились по пять раз.

Для определения нелинейности градуировочной характеристики был произведен р ас чет среднего градуировочного коэффициента K_ГРi , полученного при каждом значении давления P i внутри диапазона по формуле:

пенсации постоянной составляющей сигнала и усилителю (рис. 2). Представленное на рисунке устройство позволяет суммировать постоянный уровень сигнала от датчика с напряжением, соответствующим статическому давлению и имеющим обратную полярность. Выделенный таким образом полезный сигнал усиливался с помощью усилителя и подавался на регистратор.

На первом этапе исследований была определена статическая градуировочная характеристика датчиков при отключенном устройстве компенсации. Для проведения эксперимента датчики подсоединялись к грузопоршневому манометру типа МП-6 с классом точности задания давлений 0,05. При этом передача давления масла от манометра к датчику производилась с помощью трубопровода, длиной 4 м. В качестве регистратора использовался цифровой вольтметр типа Щ1526 с классом точности 1,5. Особенностью использования грузопоршневого манометра является то, что задание давления на нем производится с помощью образцовых грузов с наименьшим шагом 0,1 кгс/см2. Результаты эксперимента показали, что величина градуировочного коэффициента в диапазоне давлений от 3 до 5 кгс/см2 существенно не различается. Указанный диапазон давлений соответствует глубине постановки датчика от 30 до 50 м. В качестве примера на рис. 3 показана градуировочная характеристика датчика ИКД6Тда5.

На втором этапе были исследованы статические градуировочные характеристики датчиков в диапазоне ±0,5 кгс/см2 (что соответствует измерению волны высотой 10 м) при статическом давлении 3 и n

Z K rpi ^{( P}i )

_ i =1 _____________ K rPi =               ,

n где n — число серий измерений (в данном случае пять).

Результаты расчетов показали, что значения K_ГРi для датчика ИКД6Тда5 с увеличением давления уменьшаются: так, при статическом давлении P СТ = 3 кгс/см² и P i = - 0,5 кгс/см² значение K _ГРi =1,6595, а при P i = 0,5 кгс/см² K _ГРi =1,4515. Значения K_ГРi для датчика ИДТ не имеют систематического изменения при уменьшении или увеличении давления.

Средний градуировочный коэффициент для обоих датчиков рассчитывался по формуле

K _ГР

m

Z KrPi i=1

m где m — общее число измерений (в данном случае 50).

Оценка случайной составляющей погрешности градуировочного коэффициента выполнялась по формуле

A i = ^к _Г р  ^K _r pi .

Значение среднего квадратического отклонения (СКО) погрешности определялось из выражения

При стат. давлении 3 кгс/см2	ИДТ-8		ИКД6Тда5
	δ KГРt	δ K СЛ	δ KГРt	δ K СЛ
	± 0,91 %	± 2,9 %	± 0,25 %	± 0,2 %
При стат. давлении 4 кгс/см2	± 0,65 %	± 2,8 %	± 0,18 %	± 0,13 %

m

∑ ∆ ² i

σ=

i = 1

m

- 1

После исключения из результатов расчета K ГРi выбросов была проведена проверка нормальности закона распределения по критерию χ ², что подтвердило предположение о нормальности закона распределения величин погрешностей.

Для оценки систематической составляющей температурной погрешности определялся средний градуировочный коэффициент от значений, полученных при предельных температурах

K ГР =

K ГР 20 ^o С + K ГР 2 ^o С

Относительная погрешность градуировочного коэффициента, обусловленная температурными изменениями, рассчитывалась из выражения

±δKГРt= ∆K 100%, KГР где ∆K = I KГР - KГРt I . Здесь KГРt соответствует K ГР2o С или K ГР20oС .

Для расчета случайной составляющей погрешности K _СЛ был определен толерантный интервал. Значения погрешностей датчиков, рассчитанные с учетом температурных изменений градуировочной характеристики, представлены в таблице.

Из сравнения значений погрешностей датчиков ИДТ-8 и ИКД6Тда5 следует, что более точным является второй датчик, однако он имеет нелинейную градуировочную характеристику в необходи-

Рис. 4. Схема стенда для определения динамических характеристик датчиков давления.

1 — кривошипно-шатунный механизм, 2 — маховик, 3 — сильфон, 4 — рабочая камера, 5 — образцовый датчик, 6 — исследуемый датчик

мом диапазоне давлений. Необходимо отметить, что, кроме измерения статических характеристик датчиков, был произведен эксперимент по определению порога их чувствительности. Для этого после установки датчиков на грузопоршневой манометр и нагружения их статическим давлением производилось дополнительное увеличение давления с помощью разновесов четвертого класса точности. Значение порога чувствительности определялось с помощью приращения давления, соответствующего дополнительной массе, при установке которой на грузопоршневой манометр изменялась цифра в последнем разряде цифрового вольтметра, подсоединенного к выходу датчиков по схеме рис. 3. Величина порога чувствительности для обоих датчиков, измеренная таким образом, составила 0,2 г/см2, что соответствует изменению высоты водяного столба на 2 см.

Определение динамических характеристик датчиков производилось с помощью специального стенда, схема которого представлена на рис. 4. Кривошипно-шатунный механизм 1 преобразует вращение маховика 2 в возвратно-поступательные движения сильфона 3. Вращение маховика производится с помощью двигателя с редуктором. Сильфон создает избыточное давление в камере 4, залитой до половины жидкостью. В эту камеру ниже уровня поверхности жидкости выведены штуцеры образцового и испытуемого датчиков. Указанный стенд позволяет производить колебания давления в диапазоне от 0 до 0,1 кгс/см2 с частотой до двух герц.

При проведении эксперимента в качестве жидкости использовалась морская вода. Для регистрации задаваемого давления был применен датчик давления прибора ВИ-6, работающий в диапазоне от 0,01 до 0,5 кгс/см2 с основной погрешностью, согласно паспорту, 3 %. Ко второму штуцеру камеры 4 подсоединялись испытываемые датчики.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Результаты проведенных исследований динамических характеристик показали, что АЧХ обоих чувствительных преобразователей в диапазоне до двух герц линейны.

Необходимо отметить, что в реальных условиях эксплуатации датчики будут работать в диапазоне давлений 3,5–4,5 кгс/см2, а экспериментальные исследования динамических характеристик производились в связи с возможностями стенда лишь в диапазоне от 0 до 0,1 кгс/см2. Несмотря на это, можно сделать вывод о том, что АЧХ датчиков в рабочем диапазоне давлений при частотах от 0 до 2 Гц будет линейной. Это утверждение основано на том, что собственная частота колебаний мембран датчиков, как и собственная частота струны, при их статическом нагружении будет увеличиваться, что не приведет к возникновению нелинейности АЧХ в области низких частот.

На основании результатов проведенных исследований статических и динамических характеристик индуктивных датчиков абсолютного давления можно сделать вывод о том, что эти датчики могут быть использованы в качестве чувствительных преобразователей давления волномерных буев. В случае проектирования буя с бортовым микропроцессорным устройством целесообразно использовать датчик ИКД6Тда5, а в случае разработки прибора, использующего самописец для записи волнограмм, — датчик ИДТ-8.