УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЗВУКОВОГО ДАВЛЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО СБОРКИ Российский патент 2005 года по МПК G01L9/12 

Изобретение относится к экспериментальной технике и может быть использовано в народном хозяйстве для измерения звукового давления (пульсаций давления) в авиационной технике, в машиностроении, энергетике, нефтяной, химической промышленности и т.д.

Известно акустическое устройство для регулирования горения горелок. Устройство горения имеет воздушные топливные клапаны для регулирования факела с целью получения полезной оптимальной теплооотдачи. Устройство содержит микрофон, соединенный с зоной горения волноводом. Микрофон звукового давления, расположенный в конце волновода, соединен с индикаторам через измерительную аппаратуру.

Такое решение позволяет измерять звуковое давление горелок разных типов котлов (Акустическая система регулирования горелки и способ ее работы. Патент США N5120214, 5 F 23 M 5/16, 1992).

Недостатки этого устройства: в системе управления предусмотрена установка регулирующих клапанов на линиях подвода газа и воздуха в каждую горелку, что вместе с микропроцессором значительно увеличивает ее стоимость. В устройстве не предусмотрен контроль экономических (СО) и экологических (NO_x) показателей горящего факела работающей горелки. Это затрудняет диагностику текущих состояний горелок, работающих в группе, объединенной одним регулирующим клапаном. Сборку устройства звукового давления осуществляют следующим образом.

Известен способ сборки, в котором сортируют и устанавливают метрологические характеристики.

Затем выбирают волновод определенной длины и звуковой частоты. Скрепляют микрофон с волноводом. Волновод через измерительную аппаратуру скрепляют с индикатором. Таким образом, узлы устройства между собой скреплены жестким креплением.

Такое решение позволяет измерить звуковое давление в горелках котлов энергетических установок (Акустическая система регулирования горелки и способ ее работы. Патент США N5120214, 5 F 23 M 5/16, 1992).

Недостаток этого способа заключается в том, что не обоснована селекция звукового давления, возникающего от процесса горения, среды акустического шума от вибрации, тепловые шумы, электрические и т.д.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением является устройство звукового давления. Конструкция устройства состоит из емкостного чувствительного элемента (ЕЧЭ) с обкладкой, основного и бокового экранов, мембраны (вторая обкладка конденсатора), капиллярного отверстия и слоев диэлектрических пленок. ЕЧЭ размещен в металлическом каркасе с отверстиями для связи объема под мембраной капиллярным отверстием ЕЧЭ с атмосферой. Каркас закрывается крышкой и снабжен защитной сеткой для предохранения мембраны от внешних воздействий. Термостойкий кабель с внутренним и внешним сплошными экранами. Фольгированный экран изготовлен на основе диэлектрических пленок. Источник поляризации постоянного тока. Все соединения узлов между собой осуществляют клеем. Согласующий усилитель заряда размещен в дополнительном защитном экране. Каркас ЕЧЭ наполнен пастообразным герметиком.

Такое решение позволяет измерять или контролировать звуковое давление в авиационной технике, машиностроении, энергетике и т.д. (Устройство для измерения пульсаций давления и способ его изготовления. Патент РФ N 2145066, 7 G 01 L 9/12, автор А.А.Казарян).

Недостаток этого устройства: ЕЧЭ не защищен от внешних вибраций; в связи с использованием кабеля с двумя жесткими экранами затруднено перемещение измерительной аппаратуры с одного места на другое; низкая надежность из-за жесткости соединительного кабеля.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением является способ сборки устройства для измерения звукового давления.

Сущность способа сборки устройства заключается в следующем:

- одновременно изготавливают ЕЧЭ, металлический каркас, крышку, фольгированный, защитный и внешний экраны усилителя. Отверстие для связи с атмосферой и защитную сетку на крышке выполняют любым способом диаметром 0,2-0,5 мм;

- формируют пакет ЕЧЭ и экранов из диэлектрических и металлических пленок (из полиимида) и сформированный пакет выдерживают под давлением 3 кгс/см² при ступенчатом изменении температуры (от 60 до 320’С) и продолжительности времени выдержки (35-70 мин);

- внутренние поверхности каркаса обезжиривают, затем ЕЧЭ скрепляют с основанием каркаса клеем;

- туго соединяют сплошной кабель с каркасом, в каркасе все открытые токоведущие выводы и участки экранируют от внешних помех и шумов;

- на нижнюю поверхность крышки наносят слой клея. Не наносят клей на поверхности защитной сетки и поверхности мембраны ЕЧЭ. Затем крышку закрепляют на каркасе, выдерживают под давлением 0,2-0,4 кг/см² при продолжительности времени выдержки 72 ч и температуре 20-30° С.

Такой способ сборки устройства позволяет измерять звуковое давление на больших расстояниях от исследуемого объекта (ИО) или от согласующего усилителя заряда. Расстояние между ЕЧЭ или расстояние между ИО и согласующим усилителем около 50 м. Среда агрессивная при температуре до +300° С (Устройство для измерения пульсаций давления и способ его изготовления. Патент РФ N2145066, 7 G 01 L 9/12, 2000 г., автор А.А.Казарян).

Недостатки способа сборки устройства следующие. Из-за жесткости кабеля с токосъемными проводами затруднено закрепление ЕЧЭ и с двумя сплошными экранами, в месте пайки необходимо обеспечить рабочую температуру не менее +300° С. Из-за указанных сложных технологических процессов снижается надежность устройства.

Задачей настоящего изобретения является повышение надежности датчика звукового давления за счет снижения виброчувствительности для обеспечения оптимального контроля зависимости содержания экономических (СО - окись углерода) и экологических (NO_x - окись азота) показателей звукового давления горящего факела двигателей внутреннего сгорания, горелок котлов ТЭЦ и ТЦ.

1. Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения звукового давления, содержащем емкостной чувствительный элемент, корпус, крышку о защитной сеткой, согласующий усилитель заряда, выход емкостного чувствительного элемента соединен со входом согласующего усилителя, в нем введены пластина для упора емкостного чувствительного элемента, крышка для закрепления корпуса, нормирующий усилитель напряжения и демпферы, расположенные в одном корпусе между поверхностями емкостного чувствительного элемента, пластины для упора емкостного чувствительного элемента, и согласующего усилителя и корпуса, при этом емкостной чувствительный элемент и согласующий усилитель заряда размещены в одном корпусе и изолированы демпферами, причем соотношение толщины демпфера к толщине обеих крышек, а толщина пластины для упора емкостного чувствительного элемента, основного экрана и корпуса находится в пределах δ /δ ₁≥_{1-10, где δ - толщина демпферов; δ 1 - толщина соответствующих узлов устройства, при этом соотношение их модулей упругости находится в пределах от 10^-1 до 10^-5, а выход согласующего усилителя заряда соединен с входом нормирующего усилителя напряжения.}

2. Технический результат достигается тем, что в способе сборки устройства для измерения звукового давления, в котором собирают пакет емкостного чувствительного элемента и размещают в корпусе, скрепляют крышкой с защитной сеткой, монтируют согласующий усилитель заряда, в нем между емкостным чувствительным элементом, согласующим усилителем заряда, крышкой и корпусом размещают демпферы, а на другом конце корпуса устройства укрепляют вторую крышку на соответствующие поверхности узлов устройства, т.е. согласующего усилителя заряда, основного экрана емкостного чувствительного элемента, крышек, корпуса и пластины для упора емкостного чувствительного элемента, кольцевых демпферов, демпфера корпуса и демпфирующей шайбы наносят термореактивный вязкий клей пластизольной композиции на основе поливинилхлорида, модифицированный смолами толщиной 1,0-1,5 мкм и скрепляют поверхности между собой, выдерживают при температуре 50-60° С в течение 4-6 мин, охлаждают до 35-40° С, затем соответствующие узлы устройства скрепляют с демпферами, после чего выдерживают при температуре 160-170° С при продолжительности 40-60 мин до полного скрепления узлов с демпферами.

На чертеже изображена конструкция устройства звукового давления (пульсаций давления). Конструкция устройства содержит ЕЧЭ 1. ЕЧЭ содержит основной экран 2, изоляционную диэлектрическую пленку 3, обкладку конденсатора 4, боковой экран 5, перфорированную диэлектрическую пленку 6, мембрану ЕЧЭ 7, покрытую с обеих сторон диэлектрической пленкой 8, за ЕЧЭ расположен кольцевой демпфер 9, крышка с защитной сеткой 10. ЕЧЭ заключен в корпусе 11. Корпус устройства 11 с крышкой 10 скрепляют тремя винтами 12, смещенными друг относительно друга на 120° , пластину для упора ЕЧЭ 13 скрепляют с корпусом 11 путем наклейки или сварки 14. Опорные отверстия ЕЧЭ 15 выполнены соосно с осью отверстия 16. Связь отверстия 16 с атмосферой осуществляют отверстием 17. Внутри корпуса устройства расположен согласующий усилитель заряда 18. Согласующий усилитель заряда скреплен слоем клея 19 с демпфером корпуса 20. Корпус 11 скреплен с крышкой 21 демпфирующей шайбой 22. Токосъемные выводы 23 снимают через разъем 24. Разъем 24 соединен с нормирующим усилителем напряжения 25 и согласующим усилителем заряда обычным кабелем 26. Нормирующий усилитель снабжен индикатором 27. Ответную часть корпуса скрепляют с помощью отверстия 28. Устройство скрепляют с объектом 29 через кольцевой демпфер 30 с помощью трех винтов 31, также смещенных друг относительно друга на 120° .

Такая конструкция устройства предназначена для измерения звукового (пульсаций) давления из горящего факела исследуемого объекта. Звуковое давление из горящего факела поступает на мембрану ЕЧЭ. Преобразованный электрический сигнал (напряжение) согласуется со входом усилителя согласования (в частности, с согласующим усилителем заряда). Затем этот сигнал усиливается, нормируется и подается на индикатор устройства. Шкала индикатора показывает величину звукового давления и среднеквадратичное значение напряжения. Шкала звукового давления на индикаторе децибельная. На шкале индикатора отмечены области оптимального значения электрического напряжения и звукового давления, при котором в горящем факеле ИО происходит оптимальный режим горения теплоносителя. Под оптимальным режимом горения ИО понимают те режимы, при которых получают минимальный выброс вредных веществ в атмосферу и максимальный КПД ИО (котлов, двигателей и т.д.). При максимальном КПД ИО сокращается расход теплоносителя (газа, бензина и т.д.). По своим техническим параметрам ЕЧЭ известен в области измерения звукового давления от 0,02 Па (60 дБ) до 10⁵ Па(194 дБ). Габаритные размеры ЕЧЭ разные - от 1,0× 12× 18 до 1× 33× 37 мм. Рабочая температура 200° С при непрерывном длительном режиме эксплуатации (более одного года). За мембраной ЕЧЭ связь о атмосферой осуществляется через отверстия 17, 16 и 15. ЕЧЭ через демпфер 9 опирается на поверхность пластины 13. ЕЧЭ защищен от вибрации антивибрационным материалом. Согласующий усилитель заряда тоже защищен от вибрации демпфером 20. Вое демпфирующие материалы одинакового типа. Нормирующий усилитель с размерами 80× 110× 220 мм и согласующий усилитель заряда - 20× 30× 70 мм - стандартные. Размеры объекта 29, где монтируется устройство, тоже стандартные. Внутренний диаметр трубки 50 мм и 100 мм, толщиной 5 мм. При необходимости могут быть другие исполнения.

Для монтажа устройства с объектом диаметром 100 мм используется переходник в виде кольца с внутренним диаметром, равным диаметру Д устройства, наружный диаметр меньше диаметра Д1 в 1,20-1,3 раза. Переходник с защитной сеткой 10 находится заподлицо с направлением струи звукового давления .

Демпфирование может дать положительный эффект только тогда, когда между ним и объектом демпфирования обеспечен хороший контакт. Чтобы демпфирующий материал можно было использовать в виде тонкого слоя, его механический импенданс должен быть больше, чем у демпфирующего устройства для измерения звукового давления. Это требование на практике трудно выполнить. В области автомобилестроения используются вибродемпфирующие покрытия "аквапласт" и ряд других пластиков в виде растворов, дающих лаковую пленку. Можно предположить, что они относятся к самым лучшим из материалов. Лаковое покрытие, чтобы было действительно эффективным, следует наносить в виде толстого слоя. Бумажные, хлопкобумажные и другие листы, пропитанные смолой, также эффективны. Другим эффективным средством для демпфирования является металлическая пудра, подмешанная в такие материалы, как смола или резина. При этом значительно повышается демпфирование за счет микроскопических неоднородностей внутренних напряжений и дополнительных потерь на трение. Чтобы демпфирование дало полезный эффект, соотношение толщины демпфера к толщине обеих крышек, пластины для упора ЕЧЭ, основного экрана, корпуса и в местах крепления исследуемого объекта крепления, подлежащего демпфированию, должно находиться в пределах δ /δ ₁≥_{1-10, где δ - толщина демпферов, δ 1 - толщина соответствующих узлов устройства. При этом соотношение модулей упругости должно находиться в пределах E/E1=10^-1-10^-5, где Е - модуль упругости демпферов, E1 - модуль упругости соответствующих узлов устройства. Практически хороший результат получается, когда толщина демпфирующего слоя больше толщины металлического слоя в 1,3-1,5 раза.}

Способ сборки устройства реализуют следующим образом.

Первый этап. Изготавливают ЕЧЭ по известной технологии с ограничением рабочей температуры для длительного режима работы до +200° С. При этой температуре листы слоев ЕЧЭ скрепляют между собой "сухим" клеем на эпоксидно-каучуковой основе марки САФ. Пакет ЕЧЭ выдерживают между металлическими пластинами и подают давление 30-35 кг/см при температуре 160-170° С в течение 50-60 мин. Затем вынимают из камеры и постепенно остужают весь пакет до 50-60° С.

Второй этап. Определяют основные метрологические характеристики ЕЧЭ, в частности, чувствительность подаваемого звукового давления, емкость ЕЧЭ, сопротивление изоляции и отсутствие электрической связи между обкладкой и мембраной. Затем сортируют ЕЧЭ по величине коэффициента преобразования ; где Δ С - приращение емкости, когда давление равно 1 Па, С_О - начальную емкость датчика измеряют при .

Третий этап. Изготавливают каркас устройства, состоящий из защитной сетки 10, корпуса 11 (две штуки) и крышки 21.

Четвертый этап. Осуществляют сборку внутри корпуса следующим образом: с корпусом скрепляют пластину для упора ЕЧЭ 13 путем наклейки на основе быстроотверждающих эпоксидных смол высокой температуры (<200° С), путем сварки или пайки. Затем согласно фиг.1 на соответствующих поверхностях узлов (устройства и на поверхностях согласующего усилителя заряда, основного экрана ЕЧЭ, крышки, корпуса, пластины для упора ЕЧЭ) наносят вязкий клей. Также одновременно наносят вязкий клей на поверхности кольцевых демпферов 9, 30, демпфера корпуса 20, демпфирующей шайбы 22. Наклеивают демпфирующие пластинки липким клеем следующим образом:

- с целью испарения с поверхности демпфирующих пластин и корпуса устройства остаточной влаги и испарений от клея, ее выдерживают при 50-60° С в течение 4-6 мин, охлаждают до 35-40° С и наклеивают демпфирующие слои пластин внутри поверхности корпуса, на крышку с защитной сеткой, на пластины для упора ЕЧЭ, на внутреннюю поверхность кольцевого демпфера, на основание ЕЧЭ, на согласующий усилитель и т.д.;

- клей наносят на склеиваемые поверхности толщиной не более 1-1,5 мкм.

В качестве силы для прижима используют легкие движения руки. Полное отверждение производят при 160-170° С при продолжительности 40-60 мин.

Пятый этап. Скрепляют ответную часть корпуса 11 с помощью отверстий и шпилек. Затем укрепляют крышку 10 и крышку 21. Токосъемные выводы 23 снимают через разъем 24 обычными экранированными проводами длиной l=0,3-30 м.

Шестой этап. Определяют основные метрологические характеристики устройства согласно ЕСКД. Затем на каждое устройство заполняют паспорт с соответствующими техническими характеристиками. После паспортизации устройства осуществляют измерения зависимости звукового давления от степени сгорания теплоносителя. В качестве критерия оценки оптимального сгорания теплоносителя выбирают величины СО и NO_x дымовых газов. По величине СО определяют экономический (КПД) показатель горелок ИО, а по величине NO_x определяют уровень загрязнения атмосферы от дымовых газов.

Измерение звукового давления определяют следующим образом: до установления устройства на объект измеряют величину внешних электромагнитных помех и шумов U_о. Затем задают устройству звуковое давление из эталонного генератора и определяют коэффициент преобразования:

где ,

где U_г - напряжение градуировки устройства; U_О - напряжение шумов и помех аппаратуры при

После градуировки устройство монтируют на объект, т.е. на смотровую трубу 29 горелок горящего факела ИО. Измеряют среднеквадратичное значение напряжения U_к на выходе нормирующего усилителя напряжения. Величину звукового давления определяют как: . При этом зависимость СО и NO_x от соотношения определяют как: , где Р_г - статическое давление горючего (теплоносителя) ИО. Р_в - статическое давление воздуха горелок ИО; Р - результирующее значение статического давления теплоносителя и воздуха горелок ИО. Значение Р_г и Р_в регистрируют датчиками статического давления, установленными на горелках ИО. Причем зависимость экономического СО и экологического NO_х показателей от звукового давления и статического давления Р исследуемого объекта определяют как:

Принцип работы устройства. При изменении давления Р наблюдается прогиб и деформация мембраны 7 внутрь отверстия перфорации. При этом соответственно электрическая емкость ЕЧЭ С изменяется пропорционально величине приращения емкости Δ С. При этом выходное напряжение Δ U, снимаемое с ЕЧЭ, пропорционально напряжению поляризации U и соотношению Δ С/С_о. Напряжение поляризации подают на мембрану 7, выходное напряжение снимают с обкладок 4, затем согласуют в согласующем усилителе заряда 18. Согласованный сигнал усиливают, нормируют в нормирующем усилителе 25 и результаты измерения снимают с показаний индикатора 27.

С этой целью ФГУП ЦАГИ с МЭИ были проверены принципы измерения звукового давления горелок котлов МЭИ и Шатурской ГРЭС 5. Были использованы ЕЧЭ. ЕЧЭ были смонтированы на трубках горелок котлов асбестовой тканью. ЕЧЭ через согласующий усилитель заряда соединен со входом нормирующего усилителя напряжения, выход которого был соединен цифровым вольтметром переменного тока В7-27. При этом не было зарегистрировано влияния вибрации на результаты измерения. В качестве согласующего усилителя был использован согласующий усилитель заряда с коэффициентом усиления 20. Коэффициент усиления нормирующего усилителя напряжения 250, напряжение поляризации 100 В. Частота, при которой происходит оптимальное сгорание газа, составляет 275 Гц, уровень звукового давления от 70-120 дБ. Серия экспериментов показала, что интенсивность звука в факеле горелки зависит от давления воздуха и газа, и в тоже время связано с характеристиками процесса горения по СО и NО_х. При создании в перспективе простых по конструкции и обслуживанию устройства звукового тестирования работающих двигателей и горелок, их можно будет широко использовать при периодическом контроле режима горения и формирования факела горючего теплоносителя, а также создание системы автоматического регулирования процесса горения на ИО.

Используемый клей - термореактивные пластизольные композиции на основе ПВХ, модифицированные эпоксидными смолами. Они обладают высокой клеящей способностью к замасленной поверхности стали, эластичностью, вибро- и ударопрочностью, их можно использовать в качестве антикоррозионного покрытия. Клей однокомпонентный, горячего отверждения, нетекучий. Внешний вид - однородная масса желтого цвета. Марка клея ГИПК-133 ТУ 6-05-1708-79.

Современным известным вибропоглащающим покрытием тоже являются пленки марки СКЛ-25, СКЛ-6020, СКЛ-Т, предназначенные для подавления резонасных вибрационных колебаний металлических конструкций в диапазоне частот 50-2000 Гц - многократно повышают усталостную прочность и срок службы деталей, снижают уровень шума при интенсивных вибрационных нагрузках и т.д.

Использование: для измерения звукового давления (пульсаций давления) в авиационной технике, в машиностроении, энергетике, нефтяной, химической промышленности и т.д. Сущность: Устройство содержит емкостной чувствительный элемент, согласующий усилитель заряда, нормирующий усилитель напряжения и демпферы. Устройство защищено от влияния вибрации исследуемого объекта. Использован вязкий клей для сборки устройства. Клей наносят на одну из склеиваемых поверхностей толщиной 1-1,5 мкм. Окончательная имидизация происходит при 160-170°С продолжительностью 40-50 мин. Технический результат изобретения заключается в повышении надежности датчика звукового давления за счет снижения виброчувствительности, для обеспечения оптимального контроля зависимости содержания экономических и экологических показателей звукового давления горящего факела двигателей внутреннего сгорания, горелок котлов ТЭЦ и ТЦ. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для измерения звукового давления, содержащее емкостной чувствительный элемент, корпус, крышку с защитной сеткой, согласующий усилитель заряда, в котором выход емкостного чувствительного элемента соединен со входом согласующего усилителя заряда, отличающееся тем, что в него введены пластина для упора емкостного чувствительного элемента, крышка для закрепления корпуса, нормирующий усилитель напряжения и демпферы, расположенные в одном корпусе между поверхностями емкостного чувствительного элемента, пластины для упора емкостного чувствительного элемента и согласующего усилителя и корпуса, при этом емкостной чувствительный элемент и согласующий усилитель заряда размещены в одном корпусе и изолированы демпферами, причем соотношение толщины каждого демпфера к толщине обеих крышек, а также пластины для упора емкостного чувствительного элемента основного экрана и корпуса находится в пределах δ /δ ₁≥_{1÷ 10, где δ – толщина демпферов; δ 1 – толщина соответствующих узлов устройства, при этом соотношение их модулей упругости находится в пределах от 10^-1 до 10^-5, а выход согласующего усилителя заряда соединен со входом нормирующего усилителя напряжения.}2. Способ сборки устройства для измерения звукового давления, в котором собирают пакет емкостного чувствительного элемента и размещают в корпусе, скрепляют крышкой с защитной сеткой, монтируют согласующий усилитель заряда, отличающийся тем, что между емкостным чувствительным элементом, согласующим усилителем заряда, крышкой и корпусом размещают демпферы, а на другом конце корпуса устройства укрепляют вторую крышку, на соответствующие поверхности узлов устройства, т.е. согласующего усилителя заряда, основного экрана емкостного чувствительного элемента, крышек, корпуса и пластины для упора емкостного чувствительного элемента, кольцевых демпферов, демпфера корпуса и демпфирующей шайбы наносят термореактивный вязкий клей пластизольной композиции на основе поливинилхлорида, модифицированный смолами толщиной 1,0-1,5 мкм и скрепляют поверхности между собой, выдерживают при температуре 50-60° С в течение 4-6 мин, охлаждают до 35-40° С, затем соответствующие узлы устройства скрепляют с демпферами, после чего выдерживают при температуре 160-170° С при продолжительности 40-60 мин до полного скрепления узлов с демпферами.