УЛЬТРАЗВУКОВОЙ НАКЛОНОМЕР Российский патент 1997 года по МПК G01C9/22 G01C9/18 

Изобретение относится к области измерительной техники и служит для определения углов наклона различных объектов в широком /±90^o/ диапазоне углов с высокой точностью.

Известны ультразвуковые измерители наклона на принципе маятника или уровня жидкости.

Недостатком известных устройств является низкая точность измерений вследствие малой базы измерения, ограниченной длиной или шириной корпуса угломера.

Наиболее близким к изобретению является наклономер [1] в котором угловое смещение корпуса преобразуется в линейное смещение уровня жидкости за счет эффекта трансформации уровня при переходе жидкости из большей емкости в меньшую.

Недостатком устройства является низкая точность по причине нестабильности уровня жидкости в измерительных трубках при наклонах корпуса в широком диапазоне.

Задачей изобретения является повышение точности измерений.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в ультразвуковом наклономере, содержащем корпус, частично заполненный жидкостью с большим удельным весом и разделенный перегородкой на две равные емкости так, что жидкость сообщается в нижней части корпуса, измерительные трубки, гидравлически связанные соответственно с каждой из емкостей полости корпуса, жидкость с малым удельным весом, заполняющую оставшуюся часть емкостей, а также половину объема измерительных трубок, перепускной клапан, пьезоизлучатели, размещенные в основании каждой из измерительных трубок в плоскости основания трубок, измерительный блок, внутренняя полость корпуса выполнена в виде сферы, жидкость с большим удельным весом заполняет полость корпуса ровно наполовину, а диаметр капилляра измерительных трубок выбран из соотношения:

где σ коэффициент поверхностного натяжения жидкости в измерительных трубках;
r плотность жидкости в измерительных трубках;
g ускорение свободного падения;
q краевой угол смачивания между жидкостью в измерительных трубках и материалом стенок измерительных трубок.

Кроме того, указанный технический результат достигается за счет того, что диаметр измерительных трубок на выходе капилляра в ближней зоне X_бл пьезоизлучателей, определяемой как X_бл=r² F/C, где: F и C - частота и скорость распространения ультразвуковой волны соответственно, равен диаметру пьезоизлучателя.

На фиг. 1 изображена схема конструкции предлагаемого наклономера. На фиг. 2 показана модель для расчета диаметра измерительных трубок.

На фиг. 3 показана зависимость предлагаемой величины диаметра измерительных трубок от величины краевого угла смачивания между жидкостью и стенками измерительных трубок как графическая иллюстрация предлагаемой формулы.

Наклономер содержит корпус 1 в виде сферы, до половины заполненной жидкостью с большим удельным весом 2 и разделенной перегородкой 3 на две равные емкости 4,5 так, что жидкость 2 сообщается в нижней части корпуса, измерительные трубки 6, 7, гидравлически связанные соответственно с каждой из емкостей полости корпуса, жидкость с малым удельным весом 8, заполняющую оставшуюся часть емкостей 4, 5, а также половину объема измерительных трубок 6, 7, перепускной клапан 9, пьезоизлучатели 10, 11, размещенные в основании каждой из измерительных трубок в плоскости основания трубок, измерительный блок 12. Для предотвращения перетекания жидкости 8 между измерительными трубками они отделены друг от друга перегородкой 13 с малым отверстием в случае вакуума в свободном пространстве над жидкостью 8.

Измерительные трубки 6, 7 выполнены с внутренним диаметром Д_кап с таким расчетом, чтобы даже при горизонтальном расположении трубок /угол наклона 90^o/ мениск 14 жидкости 8, служащий границей отражения ультразвука, сохранял свою форму и располагался ортогонально оси измерительных трубок, см. фиг. 2, здесь 1 измерительная трубка, 2 жидкость, 3 мениск.

В ближней зоне Х_бл измерительная трубка выполнена с диаметром D, равным диаметру пьезоизлучателя.

Наклономер работает следующим образом.

При наклонах корпуса 1, к примеру, вправо, жидкость 2 занимает новое относительно корпуса положение, что приводит к вытеснению более легкой жидкости 8 в измерительную трубку 7 с приращением столба, равным отношению проходных сечений емкости 5 и трубки 7. Указанное приращение берется относительно приращения уровня жидкости 2. Точно такое же приращение, но с обратным знаком происходит в измерительной трубке 6. Измерение уровней жидкости в измерительных трубках осуществляется времяимпульсным методом посредством ультразвуковой локации с помощью пьезоизлучателей 10, 11 и измерительного блока 12, измеряющего временные промежутки прохождения ультразвука от пьезоизлучателей до границы раздела жидкость воздух и обратно. Измеренные временные интервалы пропорциональны углу наклона и могут обрабатываться как по прямой, так и по дифференциальной схеме.

Устойчивость мениска определяется из следующих соотношений.

Как известно из физики, силы поверхностного натяжения создают подповерхностное давление P_мн= 2σ/R_мн, где:
σ коэффициент поверхностного натяжения жидкости;
R_мн радиус мениска.

Следовательно, основным условием устойчивости мениска в трубке будет его сферичность, которая достигается при значении краевого угла смачивания между жидкостью и стенками измерительной трубки q в пределах от 90 до 180^o, а также соответствующим диаметром капилляра. Чем больше значение q, тем устойчивее мениск и тем меньше должен быть диаметр трубки, см. фиг. 2. Вогнутый мениск (при q в пределах от 0 до 90^o) способствует рассеиванию ультразвуковой волны и поэтому не рассматривается.

Из рассмотрения треугольника ABC на фиг. 2 следует, что при заданном краевом угле смачивания q внутренний диаметр измерительной трубки D_кап связан с радиусом мениска R_мн соотношением:

Условием устойчивости мениска в наклонной трубке является превышение капиллярного давления P_кап над гидростатическим давлением, создаваемым столбом жидкости с высотой, равной диаметру трубки D_кап. Условие записывается как 2σ/P_мн > ρg•D_кап
где ρ плотность жидкости в измерительных трубках;
g ускорение свободного падения.

После подстановки сюда выражения для P_мн, полученного ранее, получим условие устойчивости мениска в наклонной трубке:

Так как сильное сужение капилляра затрудняет прохождение ультразвукового импульса, полученное соотношение принимается как самое оптимальное для капиллярно-жидкостных волноводов и при выборе диаметра трубки знак "меньше" заменяется на знак "=".

На фиг. 3 показана графическая иллюстрация полученной зависимости для трех различных жидкостей: ртуть, глицерин, вода. Представленные зависимости охватывают все возможное разнообразие материалов измерительных трубок, не смачиваемых перечисленными жидкостями, и наглядно иллюстрируют рассчитанное условие устойчивости мениска в капиллярах.

Устойчивость границы отражения ультразвуковой волны во всем диапазоне углов наклона наклономера позволяет получить стабильный отраженный сигнал во всем диапазоне измерения, что повышает точность измерения углов по сравнению с известными приборами.

Т. к. в ближайшей зоне ультразвукового пучка Х_бл., определяемой как Х_бл= r² F/C, где F и С частота и скорость распространения ультразвуковой волны соответственно, акустическое поле ультразвуковой волны осциллирует вдоль осей Z, X, Y, диаметр измерительной трубки в ближайшей зоне равен диаметру пьезоэлемента. Такое решение позволяет получить максимальную амплитуду акустического поля в устье капилляра, а также на выходе из капилляра после отражения ультразвуковой волны от мениска, что также повышает точность измерений.

Использование капиллярных эффектов позволяет существенно повысить точность и расширить диапазон измерения углов вплоть до 90^o без существенного ослабления амплитуды отраженного сигнала во всем диапазоне. Выполнение корпуса в виде сферы и заполнение его тяжелой жидкостью ровно наполовину позволяет получить практически линейную зависимость приращения уровня жидкости в измерительных трубках в зависимости от угла наклона.

Узкое сечение измерительных трубок позволяет достичь высокого коэффициента приращения (20 30 раз) уровня легкой жидкости при переходе из широкой части корпуса в узкую относительно приращения уровня тяжелой жидкости при незначительном диаметре корпуса наклономера. Такой коэффициент трансформации соответствует чувствительности наклономера порядка 2 3".

Наклономер может также быть использован в режиме обычного гидростатического нивелира при открытом перепускном клапане 9. В этом случае уровень жидкости 8 служит гравитационно-чувствительной границей раздела, база измерения равна расстоянию между измерительными трубками, а тяжелая жидкость играет роль гравитационно-чувствительного балласта со своим собственным периодом успокоения, что ускоряет реакцию наклономера на угловое смещение.

Используемыми жидкостями, к примеру, могут быть пары тетрабромэтан-вода, сплав вода-трансформаторное масло, ртуть-масло.

Использование изобретения позволяет существенно повысить точность измерения угловых смещений в широком диапазоне углов, что особенно важно при инклинометрии технологических каналов ядерных реакторов и буровых скважин.

Сущность изобретения: ультразвуковой наклономер содержит корпус, частично заполненный жидкостью с большим удельным весом и разделенный перегородкой на две равные емкости так, что жидкость сообщается в нижней части корпуса, измерительные трубки, гидравлически связанные соответственно с каждой из емкостей полости корпуса, жидкость с малым удельным весом, заполняющую оставшуюся часть емкостей, а также половину объема измерительных трубок, перепускной клапан, пьезоизлучатели, размещенные в основании каждой из измерительных трубок в плоскости основания трубок, измерительный блок, внутренняя полость корпуса выполнена в виде сферы, жидкость с большим удельным весом заполняет полость корпуса ровно наполовину. Диаметр измерительных трубок выбран из соотношения: - коэффициент поверхностного натяжения жидкости в измерительных трубках, ρ - плотность жидкости в измерительных трубках, g - ускорение свободного падения, q - краевой угол смачивания между жидкостью в измерительных трубках и материалом стенок измерительных трубок. Диаметр измерительных трубок в ближней зоне X_бл пьезоизлучателей, определяемой как X_бл= r² F/C, где F и С - частота и скорость распространения ультразвуковой волны соответственно, равен диаметру пьезоизлучателя. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Ультразвуковой наклономер, содержащий корпус, частично заполненный двумя жидкостями с разным удельным весом и разделенный перегородкой на две равные емкости так, что первая жидкость с большим удельным весом сообщается в нижней части корпуса, а вторая жидкость с меньшим удельным весом заполняет оставшуюся часть емкостей, а также половину объема измерительных трубок, связанных соответственно с каждой из емкостей полости корпуса, перепускной клапан, пьезоизлучатели, размещенные в основании каждой из измерительных трубок в плоскости основания трубок, измерительный блок, отличающийся тем, что в нем внутренняя полость корпуса выполнена в виде сферы, первая жидкость заполняет полость корпуса ровно наполовину, а диаметр капилляра измерительных трубок выбран из соотношения

где σ - коэффициент поверхностного натяжения второй жидкости;
ρ - плотность второй жидкости;
g ускорение свободного падения;
θ - краевой угол смачивания между второй жидкостью и стенками измерительных трубок.