автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Датчики переменного давления для систем управления с нестационарными термовлияниями

1 ' 5 1

На правах рукописи

ТИХАН "Мирослав Алексеевич

ДАТЧИКИ ПЕРЕМЕННОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ

СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ С НЕСТАЦИОНАРНЫМИ ТЕРМОВЛИЯНИЯМИ

Специальность 05.13.01 - Управление в технических системах Специальность 05.13.03 - Элементы и устройства

вычислительной техники и систем управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕНЗА - 1993

Работа выполнена в Пензенском государственном техническом университете.

Научный руководитель:

академик, д.т.н., профессор Осадчий Е.П.

Научный консультант: к.т.н., доцент Тихонов А;И.

Официальные оппоненты : д.т.н., профессор Гордиенко Н.И.,

к.т.н., доцент Кошевой О.С.

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт физических намерений ( г.Пеиза).

Зашита состоится " 15 "декабря 1995 г. в 900 на заседании диссертационного совета Д.063.18.03 Пензенского государственного технического университета (г. Пенза, ул. Красная 40.).

I

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пензенского государственного технического университета.

Автореферат разослан: " .тт.".....!.УА...........1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

д.т.н. профессор Смогуиов В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Эффективное управление в технических системах немыслимо без точной информации о параметрах физических процессов, которые протекают в этих системах. Как известно, такую информацию получают посредством различных измерительных устройств, среди которых большую группу составляют датчики. Поскольку датчики являются первичными измерительными средствами, то от их качества изначально зависит эффективность управления.

Одним из главных параметров физических процессов, протекающих в технических системах, яляется давление. При этом, в большинстве случаев оно имеет динамический характер. Кроме того, в многочисленных современных системах, использующих датчики (авиа и ракетостроение, энергетическое машиностроение, автомобилестроение и др.), присутствуют нестационарные термовлияния, что требует применения специальных устройств - датчиков переменного давления.

В настоящее время сохраняется устойчивая тенденция в применимости датчиков давления тензометрического типа, что обусловлено их принципиальными преимуществами. Однако при этом наблюдается усиливающаяся неэффективность в производстве й эксплуатации датчиков. Этому способствует ряд проблем, заключающихся, среди прочего, в следующем.

Развитие технологии приборостроения (в первую очередь микроэлектронной) и достижения материаловедения, привели к появлению огромного количества типономиналов датчиков. Однако таким многочисленным парком датчиков уже не удается в полной мере обеспечить качественные измерения и, тем самым, удовлетворить требованиям измерительных задач. На сегодня, в решении создавшейся ситуации, уже доказали свою бесперспективность путь варьирования известных технических решений, которые получены на прежнем этапе потребностей, а также эмпирический метод - практикой проб и ошибок. Очевидно, что описанная ситуация, в первую очередь, происходит из-за несовершенства методов проектирования датчиков, что само, по себе ставит вопрос о' состоянии их исследований. Кроме того, отчетливо проявляющееся несовершенство упомянутых исследований в совокупности с неразрешенными проблемами метрологического обеспечения

днв&инческих измерений, также обуславливают неэффективность существующих методов проектирования.

Традиционные подходы при исследованиях датчиков переменного давления базируются на общих принципах динамики колебательных систем, что приводит к несовершенному описанию такого особого процесса, каким является измерительное преобразование. Кроме того, воздействие на датчик нестационарных термовлияний порождает в его механических-измерительных преобразователях (МИП) сложные термоупругие явления, которые изменяют собственно динамику МИП. Отсутствие отражения этих проблем в известных исследованиях приводит к неадекватному моделированию датчиков и в результате - к построению несовершенных методик проектирования.

Цель работы: заключается в разработке инженерной методики проектирования конструктивных элементов тензометрических датчиков переменного давления для систем управления с нестационарными термовлияниями, при учете такой главной особенности условий эксплуатации, : как неопределенность заранее временных характеристик измеряемого давления и термовлияний.

Основными задачами исследования, вытекающими из поставленной цели, являются следующие:

- разработка математических моделей датчиков на основе соответствующих исследований динамики и термоупругих явлений в МИП, при учете влияния этих явлений собственно на динамику;

- синтез метрологических-моделей датчиков;

- оптимизиация конструктивных параметров элементов датчиков но критерию минимума основной динамической погрешности;

разработка инженерной методики проектирования конструктивных элементов тензометрических датчиков переменных давлений , для систем _ управления с нестационарными термовлияниями и ее программной реализации при, том, . »го такая , методика должна предусматривать предпосылки конструктивной унификации и сопоставимости метрологических характеристик в конкретных условиях эксплуатация.

Методы исследований - базируются - на уравнениях математической физики в части теории колебаний и термоупругости.

Научная новизна работы заключается в следующем: - получены аналитические зависимости, описывающие динамику МИП датчиков при прозвольиом временном характере входного воздействия;

- исследованы термоупругие явления в конструктивных элементах датчиков при нестационарных термовлияннет;

- построены математические модели датчиков учитывающие переходные и установившиеся процессы в динамике МИП, а также учитывающие влияние на динамику преобразователей термоупругих явлений; .

- исследованы динамические погрешности математических моделей, и синтезированы метрологические модели датчиков;

разработана методика оптимизации конструктивных параметров элементов датчиков и их технологических допусков по критерию минимума основной динамической погрешности;

- разработана инженерная методика проектирования датчиков переменного давления для систем управления с нестационарными термовлияниямн, при этом в методику заложены предпосылки конструктивной унификации датчиков и сопоставимости их метрологических характеристик, в конкретных условиях эксплуатации.

Практическая ценность работы: разработана инженерная методика проектирования датчиков переменного давления для систем управления с нестационарными термовлияниямн и алгоритм ее машинной реализации.

Основные результаты диссертационной работы внедрены и , использованы при. проектировании датчиков давления для специализированных систем измерения, контроля и управления на предприятиях общего машиностроения, а также для научных исследований в научно-исследовательской лаборатории "Полупроводниковых микросенсоров" Львовской политехники и Физико - механическом институте HAH Украины.

Апробапия работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на:

- Всесоюзных и межгосударственных научно - технических конференциях и семинарах "Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления" (Пенза, 1991, 1992, 1993, 1994 г.г.);

- Международных научно - технических конференциях и семинарах "Датчики и преобразователи информации систем

измерения, контроля и управления" (Москва, 1991, 1992, 1993, 1994 г.г.);

, - Международных научных конференциях инженеров -механиков (Львов, 1993, 1995 г.г.).

Публикации. По результатам проведенных исследований и разработок, выполненных в процессе работы над диссертацией, опубликован 17 печатных работ, а в том числе получено 5 авторских свидетельств.

Структура и обьем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы приложения и содержит 184 страницы основного текста, иллюстрируемого рисунками и таблицами на 25 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении проводится общий обзор проблемы проектирования датчиков давления и показана ее актуальность.

В первой главе анализируются условия эксплуатации датчиков и специфика измерений, а также рассматриваются особенности самих датчиков. Приводится анализ технических характеристик и конструктивных решений выпускаемых промышленностью тензометрических датчиков, выявляются их преимущества и недостатки.

Так, главной особенностью многочисленных сред измерений является существенная динамичность измеряемого давления и нестационарность термовлияний. Более того, временные характеристики переменности давления и термовлияний заранее неопределены. Измерения в таких условиях имеющимися датчиками дают низкую точность. Предпринимаемые попытки разрешить создавшуюся ситуацию путем варьирования известных конструктивных решений, подбором используемых материалов и т.п., существенно не изменили положение. Такой факт свидетельствует о несовершенстве самих исследований, следовательно теоретических моделей датчиков и, соответственно, о несовершенстве методик проектирования, которые базируются на результатах исследований. Описанная ситуация вынуждает осуществить критический анализ известных исследований датчиков переменных давлений при нестационарных термовлияниях.

как известпо, датчик представляет собой цепь измерительных преобразователей, первичными в которой есть МИП. Поэтому, учитывая специфику физической природы, . предполагаем доминирующую роль МИП в проявлении качественных характеристик датчиков в целом. В этой связи, в настоящей работе рассматриваются проблемы, связанные с исследованиями МИП и других основных механических узлов.

Существенное несовершенство известных исследований заключается в следующем. При описании динамики МИП не учтены переходные процессы колебаний, что необходимо для решения проблемы оценки точности измерений при заранее неопределенном и произвольном временном характере входного воздействия.^ Результаты известных исследований, касающихся изучепия температурных влияний на датчики, получены из неадекватной формулировки краевых условий термодинамических задач, так как неучитывается взаимовлияние термоупругих явлений между конструктивными элементами датчика. Кроме того, в известных исследованиях не отражена проблема влияния термоупругих напряжений в МИП на их динамику. В конечном итоге, описанные несовершенства исследований не позволили получить необходимые результаты, на базе которых было бы возможно построить удовлетворительные методики проектирования и, соответственно, получить согласование теоретических предпосылок с практикой применения.

Кроме сказанного отметим, что известные методики проектирования не предполагают надлежащей унификции датчиков и сопоставимости их метрологических характеристик в конкретных условиях эксплуатации.

Из указанных несовершенств исследований датчиков вытекают главные задачи, которые необходимо решить с целью разработки эффективной методики проектирования. Такие задачи формулируются л конце главы. V"

Во второй главе исследуются и анализируются динамика и термоупругие процессы в конструктивных элементах датчиков.

Сущностью определенных тенденций в' датчикостроснии является то, что в практике конструирования тензометрическия датчиков, наиболее широкое распространение нашли два типа их . конструкций. Первый тип характерен тем, что датчик кмеет один | механический измерительный преобразователь в виде упругой мембраны, на которой непосредственно размещены механо-

электрические преобразователи - тепзорезисторы. Второй тип «опструкции датчиков характерен наличием обычно двух МИП, тем или иным способом сочлененных между собой. При этом, тепзорезисторы 'размещены на последнем МИП. То есть, с точки зрения динамики, типичные конструкции датчиков являются механическими упругими колебательными системами с одной и с двумя степенями свободы.

Наиболее распространенные первичные МИП датчиков выполнены в виде жестко защемленной круглой мембраны. Исследована динамика такой мембраны при воздействии давления произвольной временной зависимости P(t), при том, что в плоскости мембраны действуют усилия N, ас обратной стороны мембраны воздействует сосредоточенная сила Q(W)=Z2W 2-коэффициснг жесткости). Получено

уравнение колебаний мембраны в виде интеграла Дюамсля

ФЛКфг^Р^вт^-- Т))4г <0

А " ' Ия'/я О

где у - удельный вес единицы площади мембраны; Ф„(£„'") -собственная функция соотпетстпугощеи краевой задачи; //„ -собственные значения; " i

i К*-ГКг R1/ Y 12(1- v)f?

/?:цилиндрическая жесткость; Е- модуль упругости; l -коэффициент Пуассона; И и R- толщина и радиус мембраны;

S, - коэффициент" демпфирования; ß = " " ';

' ' 7/ / >

Л (А У>h (Д.) - 4'У»киии Бесссля; кп = n/R ,

Ранее упоминалось, что весьма распространенном типичен двоупругая конструкция 'датчиков. В двоунругнх конструкциях вторичный МИП; обычно выполнен в виде двоупорпон б;>лкн, которая имеет пластинообрданую форму. Валка своими концами жестко заделана в корпусе датчика, .а к ее середине присоединен промежуточный злемент - шток, посредством которого, балка сочленена с мембраной.

Получено уравнение колебаний балки, пагружепиой посередине поперечной силой произвольной вреиетшй зависимости Q{t) » которая передается от мембраны, а также сжимающей (или растягивающей) силой И.,. Такое уравнение имеет вид интеграла Дюамеля и записывается

т1п. I Ъп Ъ

где 111 - удельная масса балки; / - длина балки; (рп (х) -собственная функция соответствующей краевой задачи; /п -

собственные значения; дп = у^ ; коэффициент

демпфирования; Е- модуль упругости;

7]-, — ---7-(1±—— о, ; / - момент инерции ссчепия

Г" 1 нкр

балки; N ^ - эйлерова критическая сила при потери

устойчивости балки с защемленными концами.

Как известно, математические модели (ММ) датчиков строятся с целыо адекватного описания измерительного преобразования и, следовательно, получения функциональной зависимости между входным и выходным сигналами датчика. Кроме того, посредством такой модели оценивают степень искажения, вносимое датчиком в измерительное преобразование, то есть оценивают погрешность устройства. Заметим, что основная погрешность МИП в динамике в первую очередь предопределяется их упруго-инерционными качествами и временной характеристикой входного воздействия. Если имеется ММ датчика, а также известна закономерность входного воздействия, то проблема установления погрешности устройства хорошо разработана и пе представляет принципиальных трудпостей. Однако как уже отмечалось ранее, главной особенностью сред измерений является именно то, что временная характеристика измеряемого давления заранее неопре делена. Такая ситуация, ставит качественно специфическую задачу. Ее решение путем представления входного воздействия как случайной величины, при неизвестном

законе распределения, дает грубые просчеты, что не может быть приемлемо в ответственных измерительных системах, где в большинстве используются датчики. Значительно точнее, а значит эффективней, является способ, который заключается в том, что оценка искажения, вносимого МИП в измерительное преобразош ияе, при произзольном виде входного воздействия, осуществляется по максимально возможной величине такого искажения. То есть, такая оценка является оценкой сверху. На таком предположении, исходя из (1) и (2), строятся ММ датчиков.

Исследования показывают, что динамика мембраны, при любом виде воздействия, представляет собой результат наложения двух колебаний. То есть, переходных - собственные затухающие и установившихся - вынужденные колебания с частотой возмущающего воздействия. Следовательно, при расчете погрешности датчика в динамическом режиме, в условиях заранее неопределенного временного характера давления, необходимо учитывать как переходные, так и установившиеся колебания. Заметим, что при выводе уравнений (1) и (2) на характер входного воздействия не накладывалось никаких условий. Поэтому, эти уравнения в форме интеграла Дюамеля всецело описывают динамику МИП как в установившемся, так и в переходном режимах. Из проведенных исследований вытекает, что амплитуда переходных колебаний, как некое искажение измерительного преобразования зависит от упруго-инерционных и демпфирующих свойств колебательной системы, а также от скорости нарастания давления. Искажение измерительного преобразования в установившемся режиме зависит от соотношения частот собственных колебаний МИП и измеряемого давления.

Максимальная амплитуда переходных колебаний, как некое максимально возможное искажение измерительного преобразования в переходном режиме, определяется коэффициентом динамичности пп1ах при импульсном давлении, которое является наиболее быстро наростающим воздействием. Поэтому, для колебаний мембраны имеем

. г

где : Wm- статический прогиб мембраны; рх - частота собственных колебаний мембраны.

В установившемся режиме, искажение измерительного преобразования также определяется коэффициентом динамичности.

Поэтому, амплитуда колебаний равняется

2

XV = w В = W--—-

у.пгих cm ry.max cm ^2 _ ^2

где 03 - максимальная частота измеряемого давления. Следовательно, максимально возможное значение амплитуды колебаний мембраны, при произвольном виде воздействующего давления, составит

^ = + (3)'

А

Полученное уравнение учитывает как переходной, так и установившийся процессы.

Уравнение (2) по структуре и характеру аналогично уравнению колебаний мембраны (1). Следовательно, максимальный динамический прогиб балки, сочлененной с мембраной, с учетом переходных и установившихся колебаний, определяется уравнением

У™ = + -/Ц)

p,-tо р2-а>

где р2 - частота собственных колебаний балки.

В тензорезисторных датчиках одноупр/гой констр*- ,*ян, при прогибе мембраны, на ее наружной плоскости возникают радиальные и тенгенциальные деформации. В общем, зависимость для деформации, которую воспринимают тензорезисторы при прогибе мембраны, можно записать в виде .

€=W0k{r), (4)

где к {г ) - коэффициент, который связывает прогиб мембраны и ее деформацию (радиальную или тангенциальную); W0 - прогиб центра мембраны; г - радиальная координата тензорезистора.

При, статическом режиме работы датчика IV,, = М>ш, а при динамическом =

Выходное напряжение (выходной сигнал) датчика равняется

и<ш = К К (5) .

где к - коэффициент тензочувствителыюсти тензорезисторов; к} -коэффициент преобразования электрической измерительной цепи датчика. Используя соотношения (3), (4) и (5), ММ датчика одноупругой конструкции в динамическом режиме запишется

<5 " 2

. = К, К + (С)

рх-со

Аналогично рарсуждсниям по ММ датчика одноунругой конструкции, ММ датчика двоупругой конструкции в динамическом режиме представится в виде

Р\ ~ Рг ~ (0~

где к(Х) - коэффициент, который связывает прогиб балки н ее-деформацию; X - координата тснзорсзистора.

Для динамики упругих систем характерно явление резонанса. При этом, различают резонанс при периодических непрерывных и прерывистых воздействиях. Последние вызывают так называемый ударный резонанс. Поскольку функционирование датчика в около резонансной зоне неприемлемо как с точки зрения корректности измерений, так и с точки зрения обеспечения прочности, то на временные характеристики измеряемого давления слсдуст накладывать определенные ограничительные условия. Такие условия формулируются, исходя из проведенных исследований динамики МИП при различных видах входного воздействия (гармоническое,* (пилообразно?, треугольное, трапсцисдалыгос, линейно-наростающсе и прямоугольное). При этом, исследовались как однократные импульсы указанных форм, так

и их серии. Таким образом, для предотвращения резонансных явлений:

-минимальная скважность импульсных воздействий должна быть не меньше величины

. <8>

где ¡у — ¡о + К - время установления колебаний МИП при

воздействии скачка давления; 'о = / " полупериод

/Р\ I

свободных колебаний МИП; - время затухання свободных колебаний.

- максимальная частота периодических воздействий не должна превышать величину

/ а

Кроме проведенных исследований стационарных колебаний МИП, в работе рассмотрен вопрос о нестационарных колебаниях. Показано, что ограничительные условия, накладываемые на временные характеристики входного воздействия, которое вызывает стационарные колебания, также обеспечивают корректность измерений и прочность конструкции - в случае воздействия, которое вызывает нестационарные колебания. Таким образом, полученные ММ . датчиков и наиболее общие ограничительные условия на временные характеристики входного воздействия дают предпосылки для .построения обоснованных методик проектирования датчиков в условиях заранее неопределенного временного характера измеряемого давления.

В процессе эксплуатации датчик подвергается воздействию нестационарных температур с неопределенной заранее временной характеристикой. Поэтому, по аналогии с силовыми воздействиями, оценка термоупругих процессов л конструктивных элементах датчиков дается при воздействии наиболее жесткого нестационарного термовлияния - термоудара. Поскольку ' воздействию термовлияний подвержена вся конструкция датчика, то для адекватной постановки термодинамических задач для МИП^ необходимо рассмотрение

термоупругих явлений в иных конструктивных элементах датчиков, которые сочленены с МИП. Сказанное, в первую очередь, касается корпусного оформления.

Из решения соответствующей термодинамической задачи для наиболее распространенной формы корпуса в виде полого цилиндра получается закономерность распределения темп, натуры по корпусу датчика при термоударе. Из полученных зависимостей следует, что « зоне нижнего, торца происходит быстрое проникновение температурного поля. Кроме того, из полученных выражений для термоупругого перемещения торцов корпуса следует, что максимум таких перемещений наступает ' после завершения температурных переходных прцессов. Поскольку в зоне нижнего торца корпуса крепится мембрана, то полученные выводы имеют принципиальное значение, так как позволяют адекватным образом сформулировать краевые условия термодинамической задачи для мембраны.

Рассматривалась термодинамическая задача для круглой тонкой пластины (аналог мембраны), на нижней плоскости которой мгновенно устанавливалась температура Т0 (термоудар). Решением соответствующего уравнения теплопроводности получилась аналитическая зависимость, которая описывает характер температурного поля в мембране. Посредством этой зависимости определяются термоупругие усилия, которые действуют в плоскости мембраны. Такие усилия равны

1- V 1 -ь ЛЛ^

где Л Г — Та~Ти ; Тн -начальная температура мембраны;

1\ -нормированный коэффициент теплообмена; а - коэффициент теплового расширения.

Таким образом, посредством усилий N в плоскости мембраны учитываются' термоупругие явления, которые происходят в ней при нестационарных термовлияниях. Причем, эти усилия учитывают термоупругие процессы во всей конструкции датчика. Поэтому, при рассмотрении динамики мембраны, в систему ее нагружения были введены усилия N.

Решением соответствующей термодинамической задачи для стержневой системы шток-балка получено уравнение, которое определяет термоупругае усилия, действующие в плоскости балки, при термоударе на датчик двоупругой конструкции. Такие усилия равняются

N. = аЕЬс![АТ- + АГ(3//шт ~4/ш!. )] Г" 3(/ + /шт)

где 1,Ь,с1,1т- длина, ширина, толщина балки и длина штока. По аналогии с мембраной, именно эти усилия максимальным образом отражая термоулругие явления в балке, скажутся на ее динамике. Поэтому, при рассмотрении динамики балки, в систему ее нагружения были введены усилия N. .

Из проведенных исследований термоупругих процессов в конструкциях датчиков следует, что с целью предотвращения их разрушения и сохранения корректности измерений; на временные характеристики нестационарностн термовлияннй необходимо наложение определенного ограничительного условия. Имеется в ввиду то, что при определенной частоте термовлияния может происходить накопление термоупругих напряжений в конструктивных элементах датчиков. Поэтому, ограничительными условиями являются:

допустимая максимальная частота нестационарностн термонлияния

[У°]= Хс (Ю)

Где -максимальная продолжительность переходных

температурных процессов в корпусе датчика, который является наиболее "инерционным", в тепловом отношении, элементом.

- минимальная скважность импульсных термоударов должна быть не меньше величины

= 2 (11)

Кроме того, на величину амплитуды термовлияний необходимо наложить условие, которое определяется необходимостью обеспечения термоунругой устойчивости мембраны, которая

непосредственно подвержена воздействию температуры. Такое условие записывается

т , 1 (Т . Ч ч, 4/»2_

я 2-уа1я 2 + 2^' З^г + гу-у'-у')

где Я - радиус мембраны.

Таким о( ¿'зом, полученные ММ датчиков ((6) и-(7)) учитывают • особенности измеряемого давления - и нестационарности термовлияний и всецело описывают процесс измерительного преобразования при учете того, что временные характеристики измеряемого давления и термовлияний заранее неопределены. Кроме того, полученные в результате исследований наиболее общие ограничительные условия (8), (9), (10 - 12) дают возможность установить такие границы областей применения датчиков, где будут обеспечены их работоспособность и корректность измерений.

> В третьей главе анализируются динамические погрешности ММ датчиков, на основе этого синтезируются метрологические модели и, далее, оптимизируются параметры конструктивных элементов датчиков по критерию минимума основной динамической погрешности.

Полагается, что искажение измерительного преобразования возникает вследствие динамического характера входного воздействия и инерционных качеств МИП, вследствие инструментальной переменности конструктивных параметров элементов при их изготовлении, а также вследствие нестационарных термовлияний. Таким образом, метрологические модели датчиков в динамике представляются уравнениями вида

'ос,. + ^доп. + ^ • <13>

1

где 8е относительная величина! основной динамической погрешности (при номинальных значениях геометрических параметров конструктивных элементов), а 8 се инструментальная составляющая- 8т9 - термодинамическая составляющая дополнительно» (температурной) погрешности. Сравнительный анализ метрологических моделей двух

типов конструкции дпгчико» покавал, что одноуг.ругэч

•

1С

конструкция владеет меньшей оамшгой . динамической погрешностью, однако имеет (ссколько большую дополнительную погрептость.

Таким образом, в результате анализа погрешностей ММ датчиков синтезированы их метрологические модели, котогме дают возможность расчета динамических погрешностей в . конкретных условиях эксплуатации. Кроме того, получается возможность установить обоснованный набор нормируемых метрологических характеристик датчиков . и производить оптимизацию конструктивных параметров их элементов .

Оптимизация конструктивных параметров МИП и их технологических допусков проводилась по критерию минимума основной динамической погрешности. Анализ ММ датчиков выявил тот факт, что уменьшение частоты собственных колебаний МИП приводит к уменьшению коэффициента динамичности переходных колебаний, однако увеличивает коэффициент динамичности установившихся колебаний. Поэтому, при заданном диапазоне частот измеряемого давления {0.„£У]; оптимальными частотами собственных колебаний МИП будут такие, которые обеспечивают минимум суммы коэффициентов динамичности^ Следовательно, удовлетворяют уравнениям:

- для одиоупругой конструкции

/г . 2 со р]

р\ (р1~0)2У

- для двоупругой конструкции

< /Г _ 2 со гр2 . Л = 2«> У.

Минимум инструментальных составляющих основной динамической погрешности достигается, если технологические дойуска геометрических параметров МИП удовлетворяют уравнениям 1

Ай/-А/,/ А^/_2А/ и аь = _гы г

/21Г -¿Г / • и ь </ '

где ,Ь - номинальные значения параметров МИП. При

этом, с целью унификации; конструкций датчиков, уравнение оптимизации технологических допусков- параметров мембраны в двоупругой конструкции датчиков такое же как и в одноупругой конструкция. Таким образом, из проведенной оптимизации конструктивных параметров элементов датчиков, следуют предпосылки . для построения обоснованных методик проектирования и принятия рациональных конструкторско-технологических решений.

В четвертой главе приводится описание экспериментальных • исследований, которые проводились с целью подтверждения теоретических изысканий. Сущность этих исследований заключалась в том, что датчики двух конструктивных типов подвергались воздействию скачка температуры, а также совместному воздействию скачков давления и температуры. При воздействии скачка температуры исследовались распределения температурных полей. При совместном воздействии скачков давления и температуры проводилось исследование влияния термоупругих напряжений на динамику датчика (Рис.1), а также комплексное исследование теоретических метрологических моделей. ■• Результаты экспериментальных исследований подтвердили результаты теоретических изыскании, что дает право утверждать об их обоснованности и правильности.

В пятой глазе подаются разработанные инженерные методики проектирования конструктивных элементов двух наиболее типичных конструкций датчиков, а также приводится алгоритм машинной реализации этих методик. Разработанные методики проектирования, основываясь на результатах теоретических исследований, предполагают обоснованную и рациональную иерархию расчета конструктивных параметров элементов датчиков и технологических допусков при их изготовлении. Кроме того, включают расчет динамических погрешностей спроектированных датчиков в конкретных условиях эксплуатации и установление общих огракичгггеЛьных условий, которые необходимо накладывать на временные характеристики измеряемого давления и термовлияний. Такие условия могут служить критерием применимости датчиков в тех или иных измерительных системах. Отметим, что в разработанных методиках проектирования, заложены принципы конструктивной унификации и стандартизации, то есть алгоритм расчета и образования ряда типоиоминалов датчиков. Разработанные методики, учитывая специфику условий эксплуатации и новые требования, дают возможность рационального и эффективного инженерного проектирования датчиков переменного давления для нестационарных температур.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проанализированы условия эксплуатации датчиков, а также особенности самих датчиков и специфика измерения. Проведен анализ технических характеристик и конструктивных решений выпускаемых промышленностью датчиков и выявлены их преимущества и недостатки. Проведена оценка современного состояния исследований датчиков, выявлено несовершенство этих исследований и сформулирован ряд задач, решение которых обеспечит повышение эффективности проектирования датчиков, а значит повысит эффективность их производства и эксплуатации.

2. Разработаны математические модели датчиков переменного давления с учетом нестационарных термовлияний. При этом, получены аналитические зависимости, позволяющие учесть влияние термоупругих процессов в конструктивных элементах датчиков " на динамику МИП. Показана

необходимость учета переходных режимов в динамике МИН при описании процесса измерительного преобразования.

3. Проведен анализ динамических . погрешностей математических моделей датчиков и синтезированы их метрологические модели, посредством которых разработана методика оптимизации параметров конструктивных элементов и их технологических допусков по критерию минимума основной относительной динамической погрешности. Показано, что с целью обеспечения работоспособности датчика и корректности Измерения, необходимо наложение определенных условий на параметры .временных характеристик измеряемого давления и термовлияний. По полученным аналитическим зависимостям для этих условий возможно определение параметров датчиков, которые служат критерием для применения устройств в тех или иных условиях эксплуатации.

4. Разработаны инженерные методики проектирования конструктивных элементов датчиков переменных- давлений для систем управления с нестационарными термовлияниями и разработаны алгоритмы машинной реализации таких методик. При этом, в методиках заложены предпосылки конструктивной. унификации датчиков и сопоставимости их метрологических характеристик в конкретных условиях эксплуатации.

5. Разработанные методики проектирования легли в основу создания ряда датчиков для специализированных систем управления и измерения в некоторых областях общего машиностроения.

Основное содержание диссертации отражено, в следующих публикациях:

1. Тихан М. А., Жилка В. А. Определение нелинейности характеристики . датчика давления // Технология машиностроения и динамическая прочность машин: Вестник ЛПИ, №162, с. 56-58.

2. Тихан М. А., Заганяч Ю. И. Устранение нелинейности характеристики миниатюрных тензометрических датчиков давления //Датчики систем измерения,, контроля и управления: Межвуз. сб. научи, тр. - Пенза: Изд-во Пенз. политехи, ии-та, 1990, выи. 10, с. 61-63.

3. Тихан М. А., Заганяч Ю. И. Тензометрический датчик давления катетерного типа // Тез. докл. Всесоюз. научи. -

техн. копф.: Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления. - Пенза, 1991, с. 8.

4. Тихан М.А. О динамике работы миниатюрных датчиков давления // Тез. докл. Всесогаз. научл.- техн.конф.: Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления.- Пенза, 1991, с. 31.

5. Тихан М. А. К вопросу об устранении нелинейпости характеристики тензометрического датчика давления //Тезисы докл. III Международного совещания молодых ученых п специалистов: Датчики н преобразователи информации систем контроля, измерения и управления. - Москва, 1991, - с. 72.

6. Тихан М. А. Тензометричесюгй датчик давления с автономным устройством независимой поверки / /Тез. докл. III Международного совещания молодых ученых и специалистов: Датчики и преобразователи информации систем контроля, измерения и управления. - Москва, 1991, с. 73.

7. Тихан М. А. Тензометрический датчик давления // Тезисы докл. Всесоюзн. научн. - техн. копф.: Методы и средства измерения механических параметров - в системах контроля и управления. -Пенза, 1992, с. 22.

8. Тихан М. А. К вопросу о повышении чувствительности тензометрического датчика давления // Тез. докл. IV-ro Международного научн. техн. семинара: Датчики и преобразователи информации, систем измерения, контроля и управления. - Москва, 1992, с. 69.

9. Тихан М. А. Определение метрологических показателей мембранного датчика давления посредством 1 импульсной переходной функции // Тез. докл. IV-ro Международного, научн. техн. семинара: Датчики и преобразователи информации, систем измерения, контроля и управления. - Москва, 1992, с.8.

10. Тихан М. А. Определение метрологических показателей упругой мембраны // Тез. докл. Международного .симпозиума инженеров - механиков. - Львов, 1993, с. 312.

11. Itaxan М. А., Стрижак В. Я. Высокотемпературный датчик давления // Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля ц управления: Межвуз. сб. научн. тр. - Пенза: Пеиз. политехи, ин-т, 1993, вып. 13. с.22.

12. Тихан М: А. Определение температурной погрешности датчика динамического давления// <Тез. докл. V-ro

Международного научн. техн. семинара: Датчики и преобразователи информации, систем измерения, контроля и управления. - Москва, 1993, с. 18.

13. АС № 1281940 (СССР).Тензометрический датчик давления, /Ъаав М.А., Заганяч Ю.И., Кутраков А.П. -Бюл. ЛИ, 1987. -3 с.

14. АС № 1552797 (СССР). Датчик давления /Тихан М.А., Заганяч Ю.И., Кутраков А.П. 1990.

15. АС № 1561001 (СССР). Датчик давления /Тихан М.А., Заганяч Ю.И., Кутраков А.П. - Бюл. №16, 1990. -3 с.

16. АС № 1567479 (СССР). Датчик давления /Тихан М.А., -Заганяч Ю.И. - Бюл. №26, 1990. -2с.

17.АС № 1578535 (СССР). Датчик давления /Тихан М.А., Заганяч Ю.И. 1991.

П1ДЛ. до друку / . Яоша* 60х841Дб Пагйр друх. »2. Офс.друк» Умов.друк.арк./^ -Умов.фарб»-в1дп. Умовно-видав.арк.'

Тирьл (о тот;, Эам.-*<г > Бвзплатао ДУМ 290646 Дьв1в-.13. С?. Банд ери. 15 _"

Дыънгця оперативного яруку ДУЛП Лкятв, вул» Городоцька, 2&5