Об основных причинах возникновения температурных

УДК 53.088.228
И.В. Клеев
Московский физико-технический институт (государственный университет)
ОБ ОСНОВНЫХ ПРИЧИНАХ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ
ПОГРЕШНОСТЕЙ В АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИХ ВЕСАХ
При проведении современного аэрофизического эксперимента в аэродинамических трубах большая часть измерений производится шестикомонентными тензометрическими весами.
Тензовесы представляют собой прибор, выполненный из монолитного куска металла, реагирующий на внешнее силовое воздействие деформацией чувствительных
элементов. При помощи тензорезисторов и вычислительной техники деформации преобразуются в электрические сигналы, которые используются для определения воздействия газового потока на исследуемый аппарат, например, подъемной силы, силы аэродинамического сопротивления и др. На рис. 1 изображена ориентировочная схема расположения внутримодельных тензовесов в модели летательного аппарата.
Рис. 1. Тензометрические весы внутри исследуемой модели
Современные аэродинамические весы обладают высокой точностью (погрешность
в тепловом стационарном режиме работы не превышает десятой доли процента измеряемой величины).
Однако, при изменении тепловых режимов - при нагревании или охлаждении резко возрастает температурная погрешность тензовесов. Причем ее значение в сотни
раз может превышать погрешность весов, работающих в стационарном тепловом режиме. Различают две составляющие температурной погрешности – статическую и динамическую.
Статические температурные погрешности появляются при стационарном тепловом режиме работы весов, когда температура всех элементов изменяется одновременно, без градиентов. Резкое снижение данной составляющей температурной погрешно-
сти обеспечивается схемной компенсацией, за счет включения термокомпенсаторов в
соответствующие плечи тензометрических мостов.
Причиной динамических температурных погрешностей являются пространственные градиенты температуры в конструкции, обусловленные нестационарным тепловым
режимом работы весов, когда разные элементы весов имеют разную температуру.
Экспериментальные исследования показывают, что весы практически никогда не
работают на стационарных тепловых режимах. Причиной тому является большая тепловая инерция весов, модели и изменение по времени температуры потока и режима
испытаний.
Можно выделить три основные причины возникновения подобной погрешности:
1.
Прогрев от окружающей среды
При прогреве тензовесов от окружающей среды, первые прогревается неравномерно из-за наличия клиновидных элементов в своей конструкции (см. рис. 2). То есть
некоторые элементы прогреваются и, соответственно, увеличиваются в размерах из-за
теплового расширения, быстрее других. В результате, в конструкции весов появляются
температурные деформации, которые фиксируются тензорезисторами и должны быть
вычислены и вычтены из
итоговых показаний весов.
В настоящий момент
для борьбы с таким прогревом тензовесы теплоизолируются от окружающей среды.
Рис. 2. Прогрев весов от окружающей среды
2.
Прогрев весов от модели
Тепло от модели проходит вдоль конструкции весов, прогревая их несимметрично
относительно оси симметрии весов. Из-за появившихся температурных градиентов в
весах также появляются температурные деформации.
Тепло, приходящее от модели, может быть обусловлено не только худшей (по
сравнению с весами) теплоизоляцией модели от окружающей среды. Источником температурного перепада также
может являться изначальная
разница температур модели
и весов, обусловленная различными местами хранения
перед проведением эксперимента. Расчеты показывают, что перепад даже в
Рис. 3. Прогрев весов от модели
несколько градусов спосо-
бен исказить измеряемую величину на несколько сотен граммов.
Для уменьшения потока тепла, идущего от модели, предлагается установить прокладку слева от весов. На конференции будут доложены результаты изучения влияния
параметров (толщина, материал) прокладки на величины тепловых градиентов в весах.
3.
Тепло от тензорезисторов
Тензорезисторы, необходимые для преобразовании деформации чувствительного
элемента весов в электрические сигналы, выделяют тепло, которое начинает растекаться по весам симметрично относительно чувствительного элемента. Из-за несовпадения оси симметрии весов и положения чувствительного элемента тепло неравномер-
Рис. 4. Прогрев весов от тензорезисторов
но прогревает конструкцию весов, что, как и в первых двух случаях, ведет к появлению
температурных деформаций.
С данным видом деформаций тяжело бороться, так как чувствительный элемент
нельзя теплоизолировать от конструкции весов. Однако возможно на ЭВМ просчитать
вносимую в измерения погрешность и вычесть его из конечного результата [2].
Рассмотрев три вида причин возникновения температурной погрешности, можно
сделать вывод, что они сильно различаются по своей природе и по методам борьбы с
ними.
Литература
1. Богданов В.В., Волобуев В.С., Горбушин А.Р. Исследование тепловой динамики тензометрических весов и разработка методов снижения их температурных погрешностей // Доклад на четвертом международном симпозиуме по тензометрическим весам. Сан-Диего, Калифорния, США, 10-13 мая 2004 года.
2. Клеев И.В. Исследование динамических температурных погрешностей многокомпонентных тензометрических весов. Магистерская диссертация. – Москва: МФТИ,
2004.