УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГАЗОНЕПРОНИЦАЕМОСТИ ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1998 года по МПК G01N15/08 

Изобретение относится к области измерительной техники, предназначено для испытаний пористых материалов и может быть использовано в литейном производстве, производстве огнеупоров, керамики и строительных материалов.

Известна установка для определения газопроницаемости пористых материалов (авт. св. СССР N 249734, МКИ G 01 N 15/08), содержащая измерительное устройство со снабженной микрометрическим винтом станиной, на которой смонтирован сильфонный датчик, имеющий полую иглу и мехатрон. Игла датчика установлена перпендикулярно исследуемому участку образца на заданном расстоянии от поверхности. Воспринимаемый сильфонным датчиком напор газа, протекающего через пористую стенку, в виде микроперемещений передается на шток мехатрона, где механический сигнал преобразуется в электрический, пропорциональный величине напора газа.

Недостатком указанного способа является невысокая точность определения газопроницаемости, связанная с погрешностью измерения расхода газа.

Ближайшим к заявляемому устройству по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является прибор для определения проницаемости пористых изделий (авт.св. СССР N 541109, МКИ G 01 N 15/08), содержащий измерительную головку, соединенную с источником избыточного давления через стабилизатор давления, отсчетное устройство ротаметрического типа (ротаметр), обводные каналы с регулируемыми соплами, которые введены в общий коллектор.

Воздух из воздушной магистрали через блок подготовки воздуха, выполняющий функцию стабилизатора давления, поступает одновременно в расходомер и через регулируемое сопло в обводной канал. Затем оба потока соединяются в один, и общий поток поступает к измерительной головке, в которой установлен образец пористого материала. За счет регулируемых сопел в устройстве производится распределение воздушного потока, при котором положение поплавка ротаметра определяет проницаемость исследуемого образца.

Недостатком прототипа является значительная погрешность измерения, связанная с использованием регулируемых сопел, характеристики которых могут изменяться со временем, а также с визуальным отсчетом положения поплавка ротаметра. Кроме того, отсутствие выходного электрического сигнала не позволяет осуществить передачу результата измерения и его запоминание.

Задачей изобретения является исключение погрешности измерения, обусловленной возможным изменением во времени характеристик сопл и визуальным отсчетом положения поплавка ротаметра, а также обеспечение возможности передач результатов измерений.

Техническим эффектом является повышение точности измерительного устройства и обеспечение возможности включения его в автоматизированные системы, а также обеспечение запоминания результатов измерения.

Поставленная задача решается предлагаемым изобретением, сущность которого заключается в том, что в устройство, содержащее измерительную головку, соединенную с источником избыточного давления через стабилизатор давления, и ротаметр, дополнительно введены дифференциально - трансформаторный преобразователь перемещения поплавка ротаметра, генератор постоянного тока, прерыватель, конденсатор, аналого-цифровой преобразователь с запоминанием максимального значения, цифровой индикатор, причем выход генератора через прерыватель подключен к первичной обмотке дифференциально-трансформаторного преобразователя, зашунтированной конденсатором, вторичная обмотка дифференциально-трансформаторного преобразователя соединена с входом аналого-цифрового преобразователя с запоминанием максимального значения, выход аналого-цифрового преобразователя подключен к цифровому индикатору.

В этом случае максимальное значение напряжения на вторичной обмотке дифференциально-трансформаторного преобразователя будет описываться следующим выражением при подаче импульса тока:
,
где
U_max - максимальное значение напряжения на вторичной обмотке дифференциально-трансформаторного преобразователя, В;
I - стабилизированное значение подаваемого постоянного тока, А;
p - волновое сопротивление дифференциально-трансформаторного преобразователя, Ом;
w₁, w₂ - число витков, соответственно, первичной и вторичной обмоток дифференциально-трансформаторного преобразователя;
X - перемещение поплавка ротаметра, соответствующее измеряемому расходу, м;
l - длина вторичной обмотки дифференциально-трансформаторного преобразователя, м;
A - константа.

,
где
L₁ - индуктивность первичной обмотки дифференциально-трансформаторного преобразователя, Гн;
C - емкость шунтирующего конденсатора, Ф.

,
где
r₁ - активное сопротивление первичной обмотки дифференциально-трансформаторного преобразователя, Ом.

Приведенные формулы показывают, что максимальное значение напряжения на вторичной обмотке дифференциально-трансформаторного преобразователя зависит от величины стабилизированного тока I, параметров преобразователя L₁, r₂, l, w₁, w₂, емкости конденсатора C и от перемещения поплавка ротаметра X, но не зависит от колебаний сетевого напряжения.

При помощи аналого-цифрового преобразователя с запоминанием максимального значения и цифрового индикатора величина X перемещения поплавка, соответствующая измеряемому расходу и газопроницаемости образца, может быть измерена и индицирована.

Таким образом, обоснованы теоретические предпосылки решения поставленной задачи.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - графики изменения токов и напряжений.

Устройство содержит источник избыточного давления 1, стабилизатор давления 2, ротаметр 3 с поплавком 4, сердечником 5 дифференциально-трансформаторного преобразователя 6, конденсатор 7, прерыватель 8, стабилизированный генератор постоянного тока 9, аналого-цифровой преобразователь с запоминанием максимального значения 10, цифровой индикатор 11, измерительную головку 12.

Испытаниям подвергается образец 13, находящейся в гильзе 14.

Устройство работает следующим образом.

Образец 13 в гильзе 14 устанавливается на измерительную головку 12 с натягом, исключающим утечку воздуха. Включается в работу источник избыточного давления 1 и стабилизатор давления 2. На выходе стабилизатора 2 устанавливается стабильное, т. е. независимое от расхода давление P_ст. Воздух через ротаметр 3, измерительную головку 12 и гильзу 14 подается на испытуемый образец 13. В пневмосистеме устанавливается расход воздуха, соответствующий пневматической проводимости или газопроницаемости образца 13. В зависимости от величины расхода поплавок 4 ротаметра 3 поднимается вверх на величину X, образуя кольцевую щель такой площади, что перепад давления на поплавке 4dP уравновешивает суммарную массу поплавка 4 и сердечника 5. Перед образцом 13 устанавливается стабильное давление.

P₀ = P_ст - dP
Одновременно с источником избыточного давления 1 и стабилизатором давления 2 включается в работу стабилизированный генератор постоянного тока 9 и прерыватель 8, посылая на первичную обмотку W₁ дифференциально-трансформаторного преобразователя 6, зашунтированного конденсатором 7, импульсы тока I (см. фиг. 2а). Форма импульсов тока i₁ в обмотке W₁ показана на фиг. 2б; форма импульсов выходного напряжения U₂ на обмотке W₂ показана на фиг. 2в. Эти импульсы пропорциональны первой производной от тока i₁ во времени, т.е.

а амплитудное значение напряжения U₂ (U_max) соответствует формуле (1). Оно зависит от величин X, т.е. от измеряемого расхода через образец 13.

Величина U₂ непрерывно преобразуется в цифровой код посредством аналого-цифрового преобразователя с запоминанием максимального значения 10 и индицируется цифровым индикатором 11 в единицах газопроницаемости, определяемой по формуле:
,
где
Г - газопроницаемость, см/гс•мин;
Q - объемный расход через образец, см³/мин;
P₀ - избыточное давление перед образцом, гс/см² (см вод.ст.);
h - высота образца, см;
S - площадь поперечного сечения образца, см².

В заявляемом устройстве величина P₀ = const, поэтому газопроницаемость линейно зависит от величины расхода Q, т.е. от U_max и X_max.

Практическая реализация устройства может быть выполнена на базе ключей-прерывателей типа 590КН3, аналого-цифрового преобразователя типа 1106ПВ1. Ротаметр представляет собой конусную втулку с начальным диаметром 20 мм, высотой 30 мм и углом конуса 30'. Источник давления - воздуходувка на давление до 1 кПа при расходе до 8000 см³/мин. Стабилизатор давления выполняется аналогично ротаметру с увеличенной массой специального груза, подобного сердечнику, так как P_ст>dP. Амплитуда измеряемых импульсов составляет, примерно, 250 мВ при максимальной газопроницаемости, длительность импульсов 1,5 мс при L₁ = 0,03 Гн, C = 7,5 мкФ и токе 10 мА.

Устройство содержит измерительную головку, соединенную с источником избыточного давления через стабилизатор и ротаметр. Ротаметр снабжен дифференциально-трансформаторным преобразователем перемещения поплавка ротаметра. Первичная обмотка дифференциально-трансформаторного преобразователя зашунтирована конденсатором и соединена с выходом стабилизированного генератора постоянного тока через прерыватель. Вторичная обмотка дифференциально-трансформаторного преобразователя соединена с входом аналого-цифрового преобразователя с запоминанием максимального значения, который снабжен цифровым индикатором. Изобретение способствует повышению точности измерения за счет исключения влияния изменения сетевого напряжения. 2 ил.

Устройство для определения газопроницаемости пористых материалов, содержащее измерительную головку, соединенную с источником избыточного давления через стабилизатор давления и ротаметр, отличающееся тем, что в него дополнительно введены дифференциально-трансформаторный преобразователь перемещения поплавка ротаметра, стабилизированный генератор постоянного тока, прерыватель, конденсатор, аналого-цифровой преобразователь с запоминанием максимального значения, цифровой индикатор, причем выход генератора тока через прерыватель подключен к первичной обмотке дифференциально-трансформаторного преобразователя, зашунтированной конденсатором, вторичная обмотка дифференциально-трансформаторного преобразователя соединена с входом аналого-цифрового преобразователя с запоминанием максимального значения, выход аналого-цифрового преобразователя подключен к цифровому индикатору.