Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ БЫСТРОПЕРЕМЕННОГО ДАВЛЕНИЯ

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в авиационной, космической технике, машиностроении, энергетике и т.д. для измерения быстропеременного давления.

Известно устройство для измерения быстропеременного давления. Устройство содержит пленочный емкостной датчик (ПЕД), соединенный с усилителем заряда антивибрационным кабелем с экраном, который соединен с местным заземлением. Напряжение поляризации ПЕД подают через два резистора, которые между собой соединены последовательно. Конец экрана проводом соединен через конденсатор в «звезду» с двумя резисторами, а другой конец одного резистора соединен с положительным полюсом источника поляризации. Устройство защищено от попадания высокого напряжения источника поляризации. Устройство с ПЕД позволяет использовать один кабель, как для поляризации датчика, так и для снятия выходного сигнала.

Такое решение позволяет измерить быстропеременное давление на поверхности исследуемого объекта без дренирования изделия (Патент РФ 2281470, G01L 9/12, 2006. «Устройство для измерения звукового давления», авторы А.А. Казарян, Л.М. Москалик).

Недостатком выбранного устройства для измерения быстропеременного давления является отсутствие синхронной связи между исследуемым объектом (ИО) и устройством, в частности при изменении параметров потока аэродинамической трубы, из-за чего низка точность измерения, увеличивается время проводимого эксперимента, следовательно, увеличиваются затраты на проводимый эксперимент.

Известен способ измерения быстропеременного давления на поверхности стеклоблока. Изобретение позволяет измерять высокие уровни быстропеременного давления на поверхности стеклоблока и определять давление ударной волны и действие осколков стекла на тыльной поверхности стеклоблока. На поверхность стеклоблока наклеивают пленочные емкостные датчики (ПЕД). Мембрану ПЕД направляют в сторону распространения быстропеременного давления. Выделяют из полезного сигнала сигналы шумов и помех. Определяют коэффициенты преобразования каналов. По результатам градуировки и измерения определяют избыточное давление. Возникающее избыточное давление преобразуют в электрический сигнал ПЕД. Сигнал согласуют усилителем заряда, усиливают усилителем напряжения и регистрируют. По уровню быстропеременного давления, возникающего от деформации стекла, выбирают тип ПЕД, находящихся внутри камеры - накопителя осколков. Измеряют давление ближней, промежуточной и дальней зоны.

Такое решение в указанном способе позволяет измерять распределение полей быстропеременного давления при воздействии воздушной ударной волны без дренирования стеклоблока (см. Патент РФ №2426079, «Способ измерения давления» 2011, авторы: А.А. Казарян, В.В. Подлубный).

Недостаток этого способа заключается в том, что при ударе о стеклоблок не выделяют из результатов измерения быстропеременного давления, пульсации давления, создаваемые ускорением от вибрации стеклоблока, и из-за этого снижается точность измерения давления.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением является следующее устройство для измерения давления. Устройство содержит блок ПЕД с защитными цепями, источник поляризации, коаксиальный кабель, согласующий усилитель, дополнительный и внешние экраны, усилитель напряжения, переключатель, блоки памяти, деления, дифференцирования, индикатор (компьютер).

Устройство от влияния внешних электромагнитных и синфазных помех защищается совокупным действием защитной цепи ПЕД, дополнительно защитного экрана и внешнего экрана. В устройстве в поляризованном состоянии без воздействия быстропеременного давления на ПЕД оказывает влияние сила F взаимодействия электрический схемы двух параллельных обкладок. Затем, при воздействии давления на ПЕД выходной сигнал U_вых через согласующий усилитель заряда, напряжение поступает на вход блока давления и индикатор и на выходе имеют , где U_{вых 0} - сигнал на выходе устройства, когда быстропеременное давление Р=0; E_θ - модуль упругости обкладки ПЕД в зависимости от текущей температуры окружающей среды; Е - модуль упругости при нормальной температуре.

Такое решение позволяет измерять быстропеременное давление на поверхности ИО без механической обработки изделий (Патент РФ №2029266 G01L 9/12, 1995. «Устройство для измерения давления» автор А.А. Казарян).

Недостаток устройства для измерения быстропеременного давления совпадает с недостатками выбранного аналога.

Наиболее близким к предложенному изобретению техническим решением является способ измерения пульсаций давления (быстропеременного давления). При этом способе для измерения пульсаций давления на поверхности исследуемого объекта (ИО) наклеивают ПЕД и размещают в исследуемой среде. При этом к чувствительности пульсаций давления добавляется чувствительность пульсаций влажности, температуры индуцируемых пульсациями давления. Тогда возникает необходимость отделить полезный сигнал пульсации давления от помех, шумов, пульсаций влажности, температуры. Для этого путем проведения нескольких экспериментов обеспечивают выделение полезного сигнала. Эксперименты проводят при заданных в отдельности значениях пульсации влажности, температуры и в последнем эксперименте задают пульсации давления. В первом эксперименте из общего сигнала, смешанного с сигналами шумов и помех, выделяют полезный сигнал градуировки и определяют коэффициент преобразования канала S как: , где P=const пульсаций давления в стадии градировки измерительных каналов состоящих из ПЕД. Сигнал с выхода ПЕД через усилитель заряда, усилитель напряжения подают на индикатор (компьютер). ПЕД поляризуют напряжениям постоянного тока 100 В. Затем в остальных четырех экспериментах соответственно из общего сигнала U_{пол.ΔМ.ΔΘ}, смешанного с сигналами шумов, помех, индуцируемой массы влажности ΔM и температуры ΔΘ, выделяют полезный сигнал U_пол аналогично первому эксперименту. И учитывают, что полезный сигнал U_пол сильно коррелирован с сигналами индуцируемой влажности ΔM и температуры ΔΘ. При этом коэффициент корреляции j=1, полезный сигнал определяют как: . Величину искомого значения пульсаций давления определяют как: P=U_пол/S [Па].

Такой способ измерения позволяет измерить распределения полей пульсации давления без дренирования исследуемого объекта ИО (см. патент РФ №2419076, G01L 9/12, 2011).

К недостаткам измерения способа полей пульсаций давления можно отнести не учтенные особенности использования ПЕД в условиях эксплуатации, а именно это связано со сложными проблемами метрологического обеспечения, так как нормирование тех или иных метрологических характеристик ПЕД может быть осуществлено только после установки его на ИО; к другим недостаткам можно отнести - из полезного сигнала не выделяются сигналы пульсаций давления, создаваемые ускорением (от вибрации) ИО.

Задачей настоящего изобретения является сокращение времени проводимого эксперимента, расширение области применения и повышение точности измерения быстропеременного давления. Техническим результатом является то, что обеспечена синхронная связь между устройством и исследуемым объектом. В стадии градуировки выбирают наиболее критичные параметры измерительного канала с ПЕД. Измеряют общий сигнал, смешанный с сигналами быстропеременного давления, внешних электромагнитных помех, шумов аппаратуры, пульсаций давления, создаваемых от ускорения исследуемого объекта. Также измеряют звуковое давление окружающей среды ИО.

1 Задача и технический результат достигается тем, что в устройство для измерения быстропеременного давления, содержащее пленочный емкостной датчик, согласующий усилитель заряда, усилитель напряжения, блок поляризации пленочных емкостных датчиков, индикатор (компьютер), причем выходы всех пленочных емкостных датчиков, т.е. ответные обкладки через согласующий усилитель заряда и усилитель напряжения соединены между собой антивибрационным кабелем, а блок поляризации пленочных емкостных датчиков соединен параллельно с другими обкладками пленочных емкостных датчиков, в нем дополнительно введены аналоговый цифровой преобразователь, блок синхронизации и управления объекта исследования, персональный компьютер с принтером, демпфер, державка, эталонный микрофон, измерительный усилитель, динамик громкоговорителя, генератор звуковой частоты, при этом эталонный микрофон соединен с входом измерительного усилителя, вход динамика громкоговорителя соединен с выходом генератора звуковой частоты, причем демпфер наклеен на наружной поверхности объекта исследования, а пленочные емкостные датчики наклеены снаружи и внутри на разных участках объекта исследования, один из пленочных емкостных датчиков закреплен на державке, на демпфере наклеен пленочный емкостной датчик и находящийся на одном уровне с пленочным емкостным датчиком закреплен на державке, причем выход усилителя напряжения через аналоговый цифровой преобразователь, персональный компьютер соединен с блоком синхронизации и управления объектом исследования, демпфер находится на одной оси с пленочным емкостным датчиком, например внутри рабочей камеры трубы.

2 Задача и технический результат достигаются тем, что в способ измерения быстропеременного давления, в котором на поверхности объекта исследования наклеивают пленочные емкостные датчики быстропеременного давления, задают градуировочные значения быстропеременного давления, из общего измеренного сигнала U_{M.ВШ.П.1-8} выделяют сигналы шумов и помех разного происхождения, определяют коэффициенты преобразования измерительного канала, датчики помещают в разную газовую среду, на выходе измерительного канала регистрируют общий сигнал , смешанный с шумами и помехами , выделяют из общего измеренного сигнала U_{М.B.Ш.П.1-8,} сигналы шумов и помех, на выходе измерительного усилителя имеют полезный сигнал, показывают, что сигналы между собой жестко связаны, т.е. коэффициент корреляции равен единице, все сигналы регистрируют в индикаторе, в нем пленочные емкостные датчики наклеивают на наружной и на внутренней поверхности стенки рабочей части, камера давления, форкамеры трубы, ограничивают количество нормируемых метрологических характеристик до трех, выбирают: - коэффициент преобразования канала S; - амплитудную частотную характеристику канала; - сумму сигналов собственных шумов канала и внешних электромагнитных помех , причем в стадии градуировки канала не исключают определение коэффициента преобразования канала в зависимости от частоты по-разному: - раздельно, при высоких и низких частотах, затем на исследуемом объекте определяют участки с максимальным уровнем быстропеременного давления и вибрации, исследуемые сигналы условно разделяют по содержанию как:- общий измеряемый сигнал быстропеременного давления U_{М.В.Ш.П.1-5} смешанные следующими сигналами: - сигналами шумов аппаратуры и внешних помех U_Ш.П.1-5 - сигналом пульсаций давления создаваемой ускорением (вибрации) трубы U_В.1-7; - полезный сигнал быстропеременного давления U_M.1-5 в зависимости от изменения числа Маха, - общий измеряемый сигнал звукового давления окружающей среды U_З.Ш.П.8, смешанные сигналами шумов аппаратуры и внешних помех U_.Ш.П.8, причем на верхней наружной поверхности исследуемого объекта используют пленочные емкостные датчики следующего содержания: - один ПЕД 6 наклеивают на верхней наружной поверхности трубы для измерения быстропеременного давления , смешанного с сигналами пульсаций давления, создаваемого ускорением трубы , звукового давления окружающей среды , шумов и помех ; - другой ПЕД 7 аналогично

наклеивают на поверхности демпфера, демпфер тоже жестко наклеен на верхней наружной поверхности аэродинамической трубы, тоже для измерения быстропеременного давления в ослабленном виде , смешанного с сигналами пульсаций давления, создаваемого ускорением поверхности аэродинамической трубы , звукового давления окружающей среды , шумов и помех ; - другой ПЕД, 8 для измерения звукового давления окружающей среды , смешанного с сигналами звукового давления окружающей среды , шумов и помех , ПЕД 8 изолирован от влияния вибрации исследуемого объекта и находится на одном уровне с ПЕД 6, 7, причем датчики, наклеенные на верхней наружной поверхности трубы соосны с датчиками ПЕД 2,5, находящимися на внутренней рабочей части аэродинамической трубы, причем из результатов измерения сигнала выделяют сигналы , и , получают сигнал пульсации давления , сигналы пульсации давления и звукового давления окружающей среды жестко связаны между собой, затем в условиях проводимого эксперимента на выходе усилителя напряжения регистрируют суммарный сигнал и подают на вход индикатора, последний сигнал состоит из суммы следующих сигналов: - сигнал быстропеременного давления в зависимости от изменения числа Маха; - пульсации давления, создаваемые ускорением исследуемого объекта; - сигнал внешних и внутренних шумов и помех, затем из общего сигнала , выделяют сигнал получают сигнал из этого сигнала выделяют сигнал , получают сигнал , несущий информацию об изменении во времени быстропеременного давления в зависимости от изменения числа Маха, пропорционально изменению быстропеременного давления, т.е. , причем функция преобразования зависимости выходных отдельных сигналов каналов (усилителей напряжения), от давления (на входе датчиков) между собой и в отдельности должна быть линейной.

На фиг. 1 изображена блок-схема измерения и градуировки быстропеременного давления, а на фиг. 2 изображены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) измерительных каналов с ПЕД, наклеенными на поверхности ИО. Блок-схема содержит ИО. На разных участках ИО наклеены ПЕД, т.е. на рабочей стенке С наклеен ПЕД 1 - начало рабочей частей трубы, ПЕД 2 -в середине и в конце - ПЕД 3, на стенке камеры давления (КД) - ПЕД 4, в форкамере (ФК) - ПЕД 5. Снаружи на ИО наклеены ПЕД 6 и демпфер (ДЕ). На поверхности ДЕ наклеен ПЕД 7. ПЕД 8 держится на державке Д. Рядом с ПЕД 2 находится эталонный микрофон фирмы «Брюль и Къер» (БК) Дания (фиг. 1). В процессе градуировки микрофон БК поочередно устанавливают рядом с каждым из ПЕД 1-8. Измерительный канал с ПЕД содержит усилитель заряда 9, усилитель напряжения 10, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 11, компьютер 72, блок управления и синхронизации 13 ИО, источник поляризации 14 ПЕД, измерительный усилитель 15. Для градуировки измерительных каналов с ПЕД, предусмотрен динамик громкоговорителя 16, генератор звуковой частоты 17. Все ПЕД соединяют с усилителем заряда антивибрационным проводом 77, марки АВКТ-6.

Для проведения измерения быстропеременного давления выходы ПЕД 1-8 через усилитель заряда 9, усилитель напряжения 10, АЦП 11 соединяют со входом компьютера 72, выход блока управления и синхронизации 13 также соединяют с входом компьютера. Для проведения градуировки ПЕД 1-8 предусмотрен эталонный микрофон БК, который соединен с входом измерительного усилителя 75. Вход динамика громкоговорителя 16 соединен с выходом генератора звуковой частоты 17. Одну из обкладок ПЕД соединяют с выходом источника поляризации 14. ПЕД, усилитель заряда, источник поляризации, усилитель напряжения известны, разработаны и используются в ЦАГИ. Эталонный микрофон выбран мод. 4133 с измерительным усилителем мод. 2609. Генератором звуковой частоты выбран Г3-34, динамики типа 4ГД-36 от 20 до 5000 Гц, мощностью 6 Вт фирмы «SONY» типа 1-504-340-11 в диапазоне частот от 0,2 до 20 кГц. АЦП для измерения быстропеременных параметров с частотой до 58 кГц состоит из 16-ти каналов фирмы L-Gard (Москва), компьютера с монитором, клавиатурой, мышью и принтером.

Устройство в стадии градуировки функционирует следующим образом: в поляризованном состоянии ПЕД 1-8 и микрофона БК и при воздействии быстропеременного давления, (создаваемого генератором звуковой частоты 77 и динамиком 76) изменяется расстояние между обкладками ПЕД 1-8 и микрофона БК и на выходе этих датчиков возникают электрические сигналы пропорциональные заданному давлению. Эти сигналы задают на входы соответственно усилителя заряда 9 и измерительного усилителя 75 мод 2609. Сигнал с выхода измерительного усилителя пропорционален заданному быстропеременному давлению. Одновременно с выхода усилителя заряда сигнал усиливают в усилителе напряжения 10 и через АЦП 77 подают на вход компьютера 72 для хранения и дальнейшей обработки. Напряжение поляризации 100 В подают одновременно от источника поляризации 14 на одну из обкладок ПЕД 1-8, соединенных между собой параллельно.

Основа ПЕД состоит из полиимидной пленки, железо- никелевых или никелевых материалов. Конструктивно ПЕД выполняют в одиночном и матричном исполнении с количеством чувствительных элементов на одной подложке от одного до десяти и больше. Расположение в пространстве произвольное, с высокой разрешающей способностью.

Порядок проведения измерения быстропеременного давления устройством в стадии эксплуатации ИО производится почти аналогично процессу градуировки измерительных каналов. В устройстве с помощью оператора вводят и управляют режимами работы ИО, например, АДТ. При этом с блока синхронизации и управления 13 задают разные величины параметров потока, где изменяют число Маха и под воздействием быстропеременного давления ИО изменяются расстояния между обкладками поляризованных ПЕД 1-8 и на выходе датчиков возникает электрический сигнал, пропорциональный заданному числу Маха или давления . Этот сигнал подают на вход усилителя заряда, усиливают усилителем напряжения и через АЦП подают на вход компьютера для хранения и дальнейшей обработки. Такой эксперимент можно проводить неоднократно. Блок синхронизации и управления между ИО и устройством (измерительная информационная система), фактически является пультом управления ИО. Исполнение устройства одно- и многоканальное.

Принцип работы устройства (датчика). При изменении давления на ΔР изменяется расстояние между обкладками ПЕД 1-8 одновременно. В результате прогиба обкладки изменяется начальная емкость С, приращение емкости ΔС относительное изменение емкости . Напряжение на выходе ПЕД 1-8 пропорционально приращению емкости и напряжению поляризации с выхода источника поляризации 14.

Способ измерения быстропеременного давления осуществляют следующим образом.

Измерение быстропеременного давления с помощью ПЕД связано со сложными проблемами метрологического обеспечения, так как нормирование тех или иных метрологических характеристик ПЕД может быть осуществлено только после установки его на ИО. В связи с этим важны систематические исследования ПЕД на этапах их разработки, освоения технологии производства, испытаний образцов, и необходимо ограничить количество нормированных метрологических характеристик. Исходя из этого, выбирают следующие нормированные характеристики; - коэффициент преобразование канала S; - амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) канала; - сумму сигналов собственных шумов каналов и внешних электромагнитных помех .

1 Этап. Градуировка. Рассматривают случаи, когда каналы содержат ПЕД и аппаратура имеет АЧХ с неровностью 0,5-1,5 дБ. При этом ПЕД 1-8 и микрофон БК располагают на определенном участке ОИ в соответствии с фиг. 1 и на них не задают давление . При этом в поляризованном состоянии ПЕД 1-8 сигналы с выхода усилителя напряжения 10, измерительного усилителя 15 мод. 2609, одновременно через АЦП, системы сбора и обработки сигналов подают на компьютер 12 (индикатор). Здесь регистрируют сумму сигналов собственных шумов аппаратуры и внешних помех, т.е. измеряют нулевые сигналы. На выходе усилителя напряжения имеют , т.е. сигнал шумов аппаратуры и внешних помех. Затем на ПЕД 1-8 задают давление, величину которого определяют эталонным микрофоном 4133 и регистрируют сигнал на выходе усилителя напряжения - т.е. измеряют основной сигнал. Этот сигнал регистрируют в индикаторе, затем определяют коэффициенты преобразования измерительных каналов, т.е. определяют значения последних сигналов с выхода усилителя напряжения - ; при этом коэффициенты преобразования каналов определяют как: где, - пульсации давления на выходе эталонного измерительного усилителя 2609.

Звуковое давление, преобразованное ПЕД 1-8 в электрический сигнал, соответственно согласуют в усилителе заряда, усиливают в усилителе напряжения и измерительного усилителя мод. 2609 и на выходе имеют сигнал пропорционально звуковому давлению и определяют как: ; . Из двух последних выражений определяют S_ΔUвых1-8, когда ; . Затем рассматривают случаи, когда АЧХ измерительных каналов имеют неровности около 5-8 дБ, что характерно для промышленных микрофонов и ПЕД без специального выравнивания частотной характеристики. Практически неровности измерительных каналов зависят от АЧХ ПЕД и микрофонов. Согласно (Приемники пульсации давления, используемые для аэродинамических исследований ЦАГИ, Обзоры. По материалам иностранной печати. Издательство Отделение Научно - Технической Информации ЦАГИ №619. 1983, С. 18-21, составители: Писаревский Н.Н., Каранджи В.Г. и др.) и исходя из принципиальной электрической схемы конденсаторного микрофона (в нашем случае ПЕД) определяют коэффициенты преобразования измерительных каналов как: , где U_n - напряжение поляризации ПЕД; C=C_t+C_s+C_i; где C_t - емкость ПЕД; C_i - входная емкость усилителя заряда; C_s - паразитная емкость; R_c - сопротивление зарядной цепи. Эквивалентное сопротивление между выходом ПЕД и входом усилителя заряда определяют как: . При высоких частотах, когда ωR_cC>>1 определяют коэффициент преобразования ПЕД как: . Следовательно, имеем коэффициент S_ПЕД 1-8 прямо пропорционален поляризованному напряжению и обратно пропорционален суммарной емкости. При низких частотах, когда R_cCω<<1 определяют коэффициент преобразования ПЕД как: , т.е. коэффициент преобразования ПЕД зависит от частоты. Таким образом при не ровности АЧХ измерительных каналов, содержащих ПЕД, которые наклеены на ИО, коэффициент преобразования этих каналов в процессе градуировки в зависимости от частоты определяют по-разному, как: при высоких ωR_cC>>1; и при низких - R_cCω<<1 частотах раздельно.

В связи с очень малой массой мембраны микрофона и ПЕД, их чувствительность к ускорениям очень мала, даже при их действии перпендикулярно мембране .

2 Этап. Определяют АЧХ ПЕД 1-8, наклеенных на разных местах ИО согласно фиг.1. Сигнал эталонного микрофона БК позволяет вносить поправку, учитывающую особенности источника звука. В результате проведенных измерений были определены АЧХ восьми каналов с ПЕД 1-8. Из полученных результатов АЧХ следует, что неискаженная передача измерения быстропеременного давления возможна в том случае, когда все блоки в каналах устройства имеют линейную функцию частоты или времени от выходного параметра (напряжения) и блоки однородные. При этом каналы для передачи сигнала быстропеременного давления являются идеальными.

С изменением параметров потока все сигналы с выхода ПЕД и микрофона, усиленные усилителем напряжения соответственно и преобразованные в АЦП, подают на вход компьютера. Изменения параметров потока, в частности, числа Маха с одного значения на другое контролировалось в реальном времени. Одновременно с выхода микрофона визуально регистрировались изменения пульсаций давления. Функционирование устройства во время калибровки датчиков и измерения контролировались вольтметром и осциллографом.

3 Этап. Перевод величины быстропеременного давления (звукового давления и т.д.), выраженный в Паскалях, в децибелах относительно нулевого давления , производится формулой: ; или . Чтобы перевести быстропеременное давление из децибельной шкалы в Паскали имеем

или ; .

4 Этап. В ИО определяют участки с максимальными уровнями быстро-переменного давления и вибрации в зависимости от изменения параметров потока как: на верхней наружной поверхности ИО наклеивают ПЕД 6 и демпфер ДЕ (фиг. 1). ПЕД 6 конструкционным клеем наклеивают на наружной поверхности аэродинамической трубы. При этом на ПЕД 6 действуют силы (ускорения) вибрации ИО и вследствие этих действий звуковая волна, проходя в динамической возмущенной среде, создает звуковое давление окружающей среды, в зависимости от изменения параметров потока. ПЕД 7 аналогично наклеивают на поверхности демпфера ДЕ из стали диаметром 33 мм, высотой 50 мм. Демпфер ДЕ частично изолирует ПЕД 7 от влияния ускорения ИО. Демпфер конструкционным клеем тоже наклеен на наружной поверхности трубы. ПЕД 7 одновременно измеряет суммарный сигнал состоящий из звукового давления измеренное ПЕД 8, т.е. звуковое давления окружающей среды и пульсаций давления от ускорения ИО. ПЕД 8 держится на державке Д и находится почти на одном уровне с ПЕД 6, 7, и изолирован от влияния ускорения трубы. При этом ПЕД 8 измеряет только звуковое давление окружающей среды. Стальной ДЕ является демпфером между корпусом трубы и ПЕД 7. Практически ПЕД 6, 7, 8 почти находятся на одной оси с ПЕД 2, находящимся внутри рабочей части трубы фиг. 1. При этом ПЕД 4, наклеенный на стенке внутренний поверхности КД, находится на одной горизонтальной оси с ПЕД 2. Причем внутри ИО на стенке С рабочей части трубы наклеивают не менее трех ПЕД 1, 2, 3, в камере давления КД и в форкамере ФК по одному ПЕД 4, 5. Практически ПЕД 2,5 соосны с ПЕД 6, 7, 8, на наружной поверхности трубы. ПЕД 6 испытывает (чувствует) и преобразует суммарный электрический сигнал от воздействия вибрационной нагрузки , звукового давления окружающей среды и внешних шумов и помех . ПЕД 7 наклеен на поверхности цилиндра и последний наклеен на наружной поверхности рабочей части трубы рядом с ПЕД 6. В таком расположении ПЕД 7 одновременно преобразует суммарный электрический сигнал от воздействия ускорения ИО в ослабленном виде, чем ПЕД 6 . Звуковое давление и смешано с внешними помехами и шумами каналов . Величину звукового давления окружающей среды регистрируют ПЕД 6, 7, 8 в зависимости от изменения числа Маха.

Стальной цилиндр используют в качестве демпфера для убеждения в том, что ПЕД могут измерять пульсации давления, создаваемые от ускорения ИО на разных участках трубы. В зависимости от формы, размеров трубы ускорение (вибрация) может быть разным. В эксперименте в канале, содержащем ПЕД 7, с выхода усилителя напряжения регистрируют сигнал, пропорциональный пульсациям давления, возникающим от воздействия ускорения ИО в ослабленном виде меньшем, чем ПЕД 6. Этот сигнал регистрируют и запоминают в компьютере.

5 Этап. Для обработки одномерного акустического сигнала его плотность распределения функции должна представлять собой на всей действительной оси времени неотрицательные, непрерывные и дифференцируемые. Кроме того, функция преобразования зависимости выходных отдельных сигналов каналов (напряжение на выходе усилителей напряжения), от сигналов входа (давление на входе датчиков) и между собой, и в отдельности должна быть линейной. При этом анализируемые сигналы в зависимости от частоты или времени должны быть периодически меняющимися. Преобразованное давление в электрический сигнал могут быть напряжение, ток или давление с единицами измерения «В, А или Па».

При этом в условиях исследуемые сигналы в объекте исследования и его окружающей среды условно разделяем как:

- Общий измеряемый сигнал быстропеременного давления U_{М.В.Ш.П.1-5} - смешанные сигналы:

сигналы шумов аппаратуры и внешних помех U_Ш.П.1-5,

сигнал пульсаций давления, создаваемых ускорением (вибрации) трубы U_B.1-7,

полезный сигнал быстропеременного давления U_M.1-5 в зависимости от изменения числа Маха.

- Общий измеряемый сигнал звукового давления окружающей среды U_З.Ш.П.8 - смешанные сигналы шумов аппаратуры и внешних помех U_Ш.П.8.

6 Этап. В условиях проводимого эксперимента каналы, содержащие ПЕД 6, 7, на выходе усилителя напряжения регистрируют суммарный сигнал , смешанный с сигналами звукового давления окружающей среды , с сигналами пульсаций давления от ускорения (вибрации) ИО , шумами и помехами через АЦП подают на вход компьютера для хранения и обработки. Затем из суммарного сигнала выделяют сигнал шумов и помех, и получают сигнал без шумов и помех как: . Следовательно, из последнего сигнала выделяют индуцируемое звуковое давление окружающей среды преобразованное в электрический сигнал ПЕД 6, 7 как: , где j - коэффициент корреляции, он может принимать значения от +1 до -1. При j=0 и не связаны друг с другом; при j=1 эти напряжения жестко связаны. Для значений у, лежащих между 0 и +1 или между 0 и -1, эти напряжения имеют частичную зависимость. Сигнал пропорционален пульсациям давления от воздействия ускорения ИО, т.е. .

Причем за счет использования демпфера сигнал на выходе усилителя напряжения с ПЕД 7 меньше, чем сигнал в канале с ПЕД 6, и больше сигнала в канале с ПЕД 8. Сигналы и между собой не коррелированны.

7 Этап. В условиях проводимого эксперимента ИО в каналах, содержащих ПЕД 1-5, задают разные значения числа Маха и на выходе усилителя напряжения регистрируют общий сигнал , содержащий - искомый сигнал, т.е. быстропеременное давление в зависимости от изменения числа Маха; - сигнал от воздействия ускорения ИО; - - сигнал шумов аппаратуры и внешних электромагнитных помех. Затем из общего сигнала выделяют сигнал получают сигнал . Затем из сигнала вычитают сигнал получают сигнал , идущий информацию о зависимости изменения в реальном времени быстропеременного давления от изменения числа Маха без влияние ускорение трубы, т.е. .

Функция демпфера объясняется следующим образом - известно, что демпфирование в условиях вибрации играет большую роль при периодическом возмущении с частотой собственных колебаний или близкой к ней. Тогда демпфирование приобретает первостепенное значение и должно учитываться, тем более, что собственные формы колебаний в конструкции рабочей части трубы имеют такое соотношение между собой, которое трудно поддается анализу. ПЕД с минимальным весом, потребляющий незначительные токи, в какой-то степени будет чувствителен к вибрационной нагрузке. С увеличением массы металлического цилиндрического демпфера снижается влияние вибрации на ПЕД. Металлический демпфер поглощает вибрационную энергию. Поглощение энергии вибрации происходит тогда, когда между цилиндром и корпусом трубы обеспечен хороший контакт, т.е. обеспечена монолитность с помощью конструкционного клея. Известно, что при увеличении мягкости демпфирующего слоя, он должен быть толще. С другой стороны, с увеличением толщины демпфирующего слоя потери его приближаются к величине потерь демпфирующего материала. Дальнейшее увеличение толщины демпфирующего материала не дает положительного результата.

С этой целью в ЦАГИ были проведены измерения быстропеременного давления согласно блок-схемы градуировки и измерения, указанной на фиг. 1. Длина кабеля между ПЕД и пультом управления АДТ около 12 м. Соединение кабеля между ПЕД и усилителем заряда однопроводное, диаметр провода 1 мм, антивибрационный, марки АВКТ-6. Усилители заряда находились в помещении пульта управления трубы. С изменением параметра потока все сигналы с выходов восьми ПЕД и микрофона мод. 4133, усиленные в усилителях и преобразованные в АЦП, подают на вход компьютера. Изменение числа Маха с одного значения на другое контролировалось в реальном времени. Одновременно с выхода эталонного микрофона мод. 4133 визуально регистрировалось изменение пульсаций давления. Функционирование устройства во время калибровки ПЕД и измерения контролировалось вольтметром и осциллографом. При этом с выходов датчиков, наклеенных на поверхности ИО, были зарегистрированы сигналы шумов и помех до и после эксперимента. Среднее значение до и после проведения эксперимента на выходе усилителя напряжения находится от 17 до 21 мВ при коэффициенте усиления аппаратуры 2000. Напряжение увеличивается в часы пика, когда в сети потребление электроэнергии максимальное =25-32 мВ. При этом на выходе эталонного усилителя не превышало 1-2 мВ. Были определены коэффициенты преобразования каналов согласно методике, указанной в тексте заявки как: S₁=0,424 мВ/Па; S₂=4,2 мВ/Па; S₃=1,36 мВ/Па; S₄=1,06 мВ/Па; S₅=12,1 мВ/Па; S₆=5,0 мВ/Па; S₇=2,81 мВ/Па; S₈=5,39 мВ/Па. Значения результатов измерения АЧХ восьми измерительных каналов представлены на фиг. 2. На фиг. 2 показана зависимость изменения относительного выходного напряжения на выходе усилителя напряжения от частоты f, где - текущее значение напряжения восьми канальной измерительной аппаратуры. С разным шагом дискретности частоты задают пульсации давления ( =cost=120 дБ) ПЕД из динамика 16 и поддерживают постоянно. Это аналоговое напряжение подают в АЦП и преобразуют в цифровое. Преобразованный цифровой сигнал подают в компьютер для обработки и хранения.

Экспериментальные исследования показали, что необходимо градуировку датчиков проводить в ударной трубе или в акустической камере. Это позволит с высокой точностью определить коэффициенты преобразования, АЧХ измерительных каналов. Точность градуировки при этом повышается за счет отсутствия отраженных и переотраженных звуковых волн, отсутствия влияния нелинейности АЧХ звукового генератора и динамика громкоговорителя. Кроме того было установлено, что неровности АЧХ зависят от следующих факторов: - физико-механических свойств материала мембраны; - формы (круглая или прямоугольная) и размеров мембраны; - связи за мембраной ПЕД с газообразным диэлектриком с атмосферой; - наличия количества отверстий на ответной обкладке ПЕД за мембраной; - изменения формы мембраны ПЕД после наклейки на поверхности ИО разной кривизны. Таким образом, совокупное действие влияющих факторов на устройство, приводит его к дискретной неоднородности. Для сглаживаний АЧХ каналов с ПЕД в составе измерительной аппаратуры необходимо вводить дополнительно функциональный генератор, сумматор и т.п. блоки, которые не входят в задачи этой заявки.

На фиг. 1 блок-схема измерения быстропеременного давления с ПЕД 1-8 предназначена для измерения давления в диапазоне 60-180 дБ частоты 20-20 кГц с ровностью АЧХ 1,5-2 дБ, после его сглаживания. Конструкция ПЕД 1-8 разработана на базе высокотемпературного полиимида и высококачественного ферумникелевого сплава, используемых в качестве мембраны. Выбранный кабель П марки АВКТ - 6 используют в условиях эксплуатации с повышенной вибрацией и температурой.

Впервые в измерительной технике показано как из результатов измерения общего сигнала выделяют (разделяют) связанные (коррелированные) и несвязанные между собой сигналы, а именно: сигналы шумов и внешних помех, звукового давления окружающей среды, создаваемого ускорением (вибрации) ИО, полезный сигнал в зависимости от изменения параметров потока (числа Маха). С этой целью в реальном времени были проведены измерения быстропеременного давления от изменения числа Маха. На стенде числа Маха задавали от 0,2 до 1,2 с шагом дискретности 0,2. По предложенному способу из общего сигнала были выделены полезный сигнал быстропеременного давления: - максимальный около 158 дБ; - минимальный 135 дБ. После выделения из результатов измерения быстропеременного давления звукового давления (1,5-2,0 дБ), создаваемого ускорением ИО, имеем максимальное быстропеременное давление - 156 дБ, минимальное - 133,2 дБ от изменения числа Маха.

Зарегистрированы быстропеременного давления в начале рабочей части трубы ПЕД 1 158 дБ, в конце ПЕД 3 -165 дБ. Показанные ПЕД 5 в камере давления меньше на 10 дБ чем в рабочей части трубы. Показанные ПЕД 4 в форкамере трубы на один дБ больше чем в камере давления. Результаты измерения быстропеременного давления ПЕД и микрофоном совпадают между собой с точностью 1 дБ. Для ясности обработка результатов измерения звукового давления в сокращенной форме представлено как: - известно, для обработки одномерного акустического сигнала его плотность распределения функции должна предоставить собой на всей действительной оси времени неотрицательные, непрерывные и дифференцируемые. Кроме того функциональная зависимость сигналов с выходов отдельных каналов (усилителей напряжения), и между собой, и в отдельности должна быть линейной. При этом анализируемые сигналы в зависимости от частоты или времени должны быть периодически меняющимися, например, электрические напряжения, токи или звуковое давления с единицами измерения «В, А или Па».

Выбирают наиболее вероятные основные характеристики, используемые для определения одномерных функций плотности распределения, средние значение звукового давления или сигнала и их свойства во времени t.

Например, из результатов измерения на выходе измерительного канала с ПЕД 2 из 10 наблюдений имеем шумы и помехи в мВ: 15; 17; 16; 18; 16,5; 17; 15; 18; 18; 17. Среднее значение шумов и помех ; среднеквадратическое отклонение σ_ш.п.=0,373 мВ;

- из результатов измерения на выходе измерительного канала из 10 наблюдений имеем суммарный сигнал, смешанный с сигналами звукового давления (полезный сигнал) и сигналами шумов и помех , т.е. имеем в мB: 1848; 1860; 1860; 1876; 1880; 1866; 1890; 1890; 1890; 1890; при этом среднее значение =1880 мВ;

- из измеренного суммарного сигнала выделяют сигнал шумов, помех , и определяют полезный сигнал как:

- вычисляют среднеквадратическое отклонение σ звукового сигнала как:

При заданной доверительной вероятности 0,95 и при коэффициенте преобразования канала S=4,2 мВ/Па, определяем нижнее и верхнее значения пульсаций давления как: =1875,65/4,2=445,5 Па; =1884,37/4,2=450 Па.

Перевод величин давления и выраженных Па, в децибелах относительно нулевого уровня звукового давления Р₀=2·10^-5 Па, определяется как:.P=20log P/P₀ [дБ];

=20[log444,4-log2+5]=146,94 дБ; и =20[log450-log2+5]=147,04 дБ. Из результатов измерения пульсаций давления в каналах, содержащих ПЕД 6, 8, от ускорения (вибрации ) трубы определяют как:

Сигналы звукового давления Р_З.8 и вибрации Р_В.З.8 между собой связанны, тогда определим коэффициент корреляции этих сигналов как: j=α·σ₈/σ₆=0,441-0,347/0,67=0,228, где α - коэффициент пропорциональности, определяют как:

Для подтверждения, что полученное Рв=9,4 Па является пульсацией давления вибрации, т.е. звуковое давление, возникающее от ускорения трубы. Проводим следующий эксперимент.

На поверхности трубы через демпфер Д наклеен ПЕД 7. В этом эксперименте задачей демпфера является ослабление влияния вибрации на ПЕД 7. Аналогично предыдущему эксперименту, при тех же условиях выделяют из результатов измерения ПЕД 7 результаты измерения ПЕД 8. Эти оба сигнала между собой несвязанны, т.е. имеем Па.

При этом демпфер ослабляет влияние вибрации на ПЕД 7 на величину раза и не влияет и не коррелирован с остальными датчиками, находящимися с наружи и внутри трубы. Таким образом, влияние вибрации на результаты измерения звукового давления составляют (450-440,6)/450·100=2,1%.

Технико-экономический эффект предложенного способа измерения быстропеременного давления повышается за счет определения метрологических характеристик каналов за счет сохранения целостности ИО и обтекаемости потока газа (воздух). Расхождение результатов измерения быстропеременного давления между эталонным микрофоном мод 4133 и ПЕД не превышает ±16% при изменении числа Маха 0,2-1,2.