УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СМЕЩЕНИЙ Российский патент 1996 года по МПК G01B17/00 

Изобретение относится н области измерительной техники и может быть использовано для измерений линейных и угловых смещений объектов в атомной технике, машиностроении, строительстве и т.д.

Известны устройства для измерения смещений объектов, использующие принцип ультразвукового дальномера (1).

Недостатком указанных устройств является низкая точность, по причине наличия в измерительной схеме одного дальномера, что ограничивает как точность системы при контроле комбинированных (линейно-угловых) смещений объектов, так и по причине отсутствия эталонного и дублирующего дальномера.

Наиболее близкими к предложенному являются измерители смещений, использующие несколько ультразвуковых дальномеров, позволяющих точно измерить линейно-угловые смещения объектов. Помимо этого использование нескольких дальномеров позволяет реализовать дифференциальную схему измерений, или использовать эталонный дальномер параллельно с основным, что также улучшает точность измерений (2).

Недостатком прототипа является низкая точность измерений, по причине неконтролируемого изменения показаний каждого из дальномеров, в зависимости от электрических параметров высокочастотной линии связи между пьезоэлементом каждого из дальномеров и измерительным блоком. Изменение электрических параметров высокочастотной линии связи происходит по следующим причинам:
1. Разная степень скручивания кабелей (петли, перегибы) приводит к изменению их эквивалентной емкости и индуктивного сопротивления.

2. Разная температура кабелей приводит к изменению их сопротивления.

3. Различная степень воздействия внешних возмущающих факторов на разные каналы высокочастотной линий связи также приводит к разбалансу измерительной схемы.

Все указанные недостатки, как правило, имеют место, где требуется значительное удаление измерительного блока от блока ультразвуковых дальномеров, что необходимо при проведении дистанционного контроля, например в атомной энергетике при контроле геометрии технологических каналов ядерных реакторов. В этом случае, из-за высокой радиации практически невозможно размещать электронику в одном корпусе с пьезоэлектрическими дальномерами. Те же ограничения на использование электроники имеют место в буровых скважинах или продуктопроводах с высокой температурой среды (более 100°С).

Целью изобретения является повышение точности измерений.

Указанная цель достигается за счет того, что в ультразвуковом измерителе смещений, включающем корпус, блок ультразвуковых дальномеров, содержащих пьезоэлемент и экран, совмещенный с чувствительным к смещениям элементом, измерительный блок, многоканальную высокочастотную линию связи между пьезоэлементами дальномеров и измерительным блоком, пьезоэлементы всех дальномеров электрически подключены к одному из каналов многоканальной высокочастотной линии связи, а минимальное расстояние между пьезоэлементом и экраном i-того дальномера выбрано из соотношения:
где: L_imin минимальное расстояние между пьезоизлучателем и экраном i-того дальномера;
ΔL_i диапазон рабочего хода экрана i-того дальномера;
t₀ время затухания колебания пьезоэлементов при ударном возбуждении;
t_i время затухания отраженного сигнала;
С скорость ультразвука.

На фиг. 1 изображен предложенный ультразвуковой измеритель смещений в одной из возможных его реализаций, на фиг.2 схема распределения возбуждающих и отраженных гармоник дальномеров на временной развертке осциллографа.

Измеритель смещений содержит корпус 1, в котором размещен блок ультразвуковых дальномеров 2, содержащих пьезоэлемент 3 и экран 4, совмещенный с чувствительным к смещениям элементом 5, измерительный блок 6, высокочастотную линию связи 7. Так как все пьезоэлементы электрически подключены к одному кабелю, для разделения отраженных гармоник каждого из дальномеров во времени, с целью их последовательной обработки измерительным блоком, расстояние L_1min, L_2min, L₃ между пьезоизлучателями и экранами каждого из дальномеров выбраны из условия, чтобы гармоники на налагались друг на друга во всем диапазоне рабочего хода экранов 4.

К примеру, на фиг.1 показан блок ультразвуковых дальномеров, используемый в датчике углов наклонов. Наклон корпуса датчика 1 приводит к изменению уровня жидкости 8 над пьезоизлучателями 9, 10, включенными по дифференциальной схеме. Изменение уровня фиксируется дальномерами относительно плавающих отражателей 5. Для определения скорости ультразвука в жидкости 8, параллельно к пьезоэлементам 9, 10 подкачивается пьезоэлемент 11 эталонного дальномера с фиксированным экраном 12. Таким образом, в представленном варианте, к одноканальной высокочастотной линии связи подключаются три пьезоэлемента. Минимальное расстояние L_1min между пьезоэлементом 9 и экраном 4 первого (по счету) дальномера, определяется из соотношения:
L_1min t_оС, (1),
где: t время затухания пьезоэлементов при ударном возбуждении.

Таким образом, обеспечивается разделение гармоники возбуждения 13 пьезоэлементов и гармоники отражения первого дальномера 14 во времени (фиг.2).

Расстоянием L_2min для второго дальномера с пьезоздементом 10 выбирается из соотношения:
L_2min= t_oC+ΔL₁+t₁C, (2),
где: ΔL₁ диапазон хода экрана первого дальномера;
t₁ время затухания отраженного сигнала (гармоника 14) первого дальномера (фиг.2).

Расстояние L₃ min для эталонного дальномера выбирается из соотношения: L_3min= t_oC+ΔL₁+ΔL₂+t₁C+t₂C, (3)
где: ΔL₂ диапазон рабочего хода экрана второго по счету дальномера пьезоэлемента 10;
t₂ время затухания отраженного сигнала (гармоника 15) второго дальномера (фиг.2).

Измеритель работает следующим образом.

В момент, когда требуется произвести замер показаний каждого из дальномеров, измерительный блок 6 посылает возбуждающий импульс по линии 7 одновременно на все пьезоэлементы. Этому моменту времени соответствует гармоника возбуждения 13, от начала которой начинается отсчет времени.

Затем измерительный блок последовательно фиксирует время, прошедшее от момента ударного возбуждения до момента повторного возбуждения пьезоэлементов каждого из дальномеров отраженными импульсами 14, 15, 16 (фиг.2).

Полученные временные промежутки квантируются и в цифровом виде обрабатываются на ЭВМ.

Так как с увеличением числа пьезоэлементов в предложенном измерителе требуется увеличить расстояние L_imin i-того дальномера, что приводит к ослаблению отраженной волны каждого следующего дальномера, число пьезоэлементов измерителя целесообразно ограничить 4-5, что вполне достаточно для известных пьезоэлектрических датчиков линейных и угловых смещений. Предложенная схема подключения особенно эффективна с основным или при использовании для одного пьезоизлучателя двух экранов одного эталонного и одного чувствительного к смещениям. В этом случае, один и тот же пьезоэлемент оказывается включенным в два дальномера (по числу экранов), параметры каждого из которых определяются из соотношений 1, 2, 3.

Регулировка расстояния L_imin для каждого из дальномеров производится либо выбором размеров (высоты) отраженного экрана, либо путем помещения подкладок под пьезоэлементы.

Предложенный измеритель позволяет существенно уменьшить погрешность измерений смещений при использовании пьезоэлектрических дальномеров.

Кроме того, сокращается число токоведущих кабелей, что упрощает измерительную систему и уменьшает ее стоимость.

В предложенной варианте, любое скручивание или изменение электрических параметров электрической линии связи одинаково влияет на все пьезоэлементы всех дальномеров, что позволяет легко выделить и нейтрализовать это искажение.

Использование предложенного изобретения существенно повысит точность измерения в системах с пьезоэлектрическими дальномерами, упростит аппаратуру контроля искривлений и диаметров технологических каналов ядерных реакторов, буровых скважин, продуктопроводов.

Использование: в измерительной технике для измерения линейных и угловых смещений. Сущность изобретения: с целью повышения точности измерений, ультразвуковой измеритель смещений позволит существенно уменьшить погрешность измерений смещений при использовании пьезоэлектрических дальномеров, сократит число токоведущих кабелей, что упростит измерительную систему и уменьшит ее стоимость. Использование изобретения существенно повысит точность измерения в системах с пьезоэлектрическими дальномерами, упростит аппаратуру контроля искривлений и диаметров технологических каналов ядерных реакторах. 2 ил.

Ультразвуковой измеритель смещений, включающий корпус, блок ультразвуковых дальномеров, содержащих пьезоэлемент и экран, совмещенный с чувствительным к смещениям элементом, измерительный блок, многоканальную высокочастотную линию связи между пьезоэлементами дальномеров и измерительным блоком, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, пьезоэлементы всех дальномеров электрически подключены к одному из каналов многоканальной высокочастотной линии связи, а минимальное расстояние L_imin между пьезоэлементом и экранов каждого i-того дальномера выбрано из соотношения

где ΔL_i диапазон рабочего хода экрана i-го дальномера;
t₀ время затухания колебаний пьезоэлементов при ударном возбуждении;
t<mv>i<D> время затухания отраженного сигнала;
c скорость ультразвука.