ПИРОТЕХНИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕСТИРОВАНИЯ УДАРНЫХ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ Российский патент 2024 года по МПК G01P21/00 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, конкретно к устройствам для оценки работоспособности и тестирования акселерометров, в том числе без демонтажа с испытательных площадок, и может быть использовано для метрологического обеспечения при проведении полигонных испытаний различных взрывчатых материалов и изделий на их основе - опытных и серийных образцов артиллерийских и инженерных боеприпасов, а также боевых частей ракет.

Известно устройство для калибровки датчиков ускорения -акселерометров /1/, включающее устанавливаемый на опорной станине металлический стержень с заданными упругими свойствами, на одном торце которого размещено гнездо для установки тестируемого/калибруемого акселерометра, и генератор ударно-волновой нагрузки в стержне, действующий посредством метания в свободный торец стержня трехкомпонентного ударника из разделяемых массивных тел. Регистрация ударного ускорения, создаваемого на противоположной торцовой поверхности стержня, осуществляется с помощью множества тензодатчиков, приклеенных на свободной боковой поверхности круглого стержня. Калибровка акселерометра при этом осуществляется на основе сравнения его выходного сигнала и совокупности сигналов с тензодатчиков.

Данная конструкция устройства, а также осуществляемый ею способ измерения ударного ускорения калибруемым акселерометром, имеют ряд недостатков:

1) Относительная сложность конструкции и, соответственно, эксплуатации, определяемые необходимостью наличия устройства для метания массивного ударника, а также достаточно большой свободной поверхности стержня для крепления тензодатчиков, что делает применения устройства в полигонных условиях практически невозможным.

2) Относительно большие трудозатраты по наклейке тензодатчиков на поверхность стержня, и кроме того, большая вероятность нарушения клеевого соединения после каждого испытания.

3) Сложность и большие временные затраты на обработку результатов измерений, вызванные необходимостью математической обработки совокупности сигналов с тензодатчиков.

Аналогичную конструкцию имеет устройство подобного назначения /2/. В отличие от предшествующего решения, в нем генератор ударно-волновой нагрузки, производит метание в свободный торец стержня простого ударника. Регистрация же ударного ускорения, создаваемого на противоположной торцовой поверхности стержня здесь осуществляется с помощью одного тензодатчика, приклеенного на свободной боковой поверхности стержня. А калибровка акселерометра также осуществляется на основе сравнения выходных сигналов с него и с тензодатчиков.

Тем не менее, несмотря на более простое конструктивное исполнение, данное техническое решение имеет практически те же недостатки, что и предыдущее.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство калибровки/тестирования ударных акселерометров /3/.

Как и вышеописанные аналоги, это устройство также содержит установленный на опорной станине металлический стержень с заданными упругими свойствами. Но, в отличие от них, на торце стержня одновременно размещены гнезда для установки как эталонного, так и тестируемого акселерометров. Генерация ударно-волновой нагрузки в стержне со стороны свободного торца осуществляется посредством входящего в состав устройства электромеханического привода.

В отличие от предшествующих решений, регистрация ударного ускорения, здесь осуществляется непосредственным сравнением сигналов с калибруемого/тестируемого и эталонного акселерометров.

Однако, данная конструкция устройства также не лишена отдельных недостатков:

1) Наличие в устройстве электромеханического привода для генерации ударно-волнового воздействия на торец стержня требует дополнительного источника электропитания, что не всегда осуществимо в полигонных условиях. А при проведении испытаний в условиях повышенной влажности несет повышенную опасность применения.

2) Электромеханический привод при применении может производить паразитные электромагнитные наводки как на датчики-акселерометры, так и на используемые для регистрации сигналов линии связи с регистрирующей аппаратурой, что требует выполнения особых условий для обеспечения соответствующего экранирования.

3) Конструкция устройства не обеспечивает возможности оценки работоспособности и тестирования акселерометров без демонтажа с объектов, расположенных на испытательных площадках.

Технической задачей предлагаемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков устройства прототипа, в первую очередь - обеспечение возможности тестирования акселерометров без их демонтажа с объектов на испытательных площадках, при одновременном повышении уровня безопасности процесса производимых измерений, а также уменьшения габаритов и массы.

Решение задачи достигается тем, что в известном устройстве для тестирования ударных акселерометров, содержащем установленный на опорной станине металлический стержень с заданными упругими свойствами, на одном торце которого размещены гнезда для установки эталонного и тестируемого акселерометров, и генератор ударно-волновой нагрузки в стержне, установленный со стороны второго - свободного торца стержня, в соответствии с изобретением в качестве генератора ударно-волновой нагрузки использован инициирующий волновод, устанавливаемый в зарядной камере с открытым выходом в направлении горизонтальной оси симметрии свободного торца стержня, прикрепленной к опорной станине на быстросъемной стойке, при этом крепление стержня в опоре выполнено с возможностью линейного перемещения.

Представленные основные отличительные признаки предложенного устройства обеспечивают решение поставленной задачи следующим образом:

- использование в качестве генератора ударной волны инициирующего волновода, содержащего малую навеску взрывчатого вещества (миллиграммы на метр), и производящего передачу по его каналу инициирующего импульса - ударной волны без разрушения оболочки, существенно снижает опасность применения устройства по сравнению с электромеханическими устройствами, и обеспечивает энергонезависимость при проведении измерений непосредственно на испытательных площадках в различных климатических условиях;

- открытый выход канала зарядной камеры в направлении горизонтальной оси симметрии свободного торца стержня обеспечивает направленную передачу ударно-волнового воздействия на него при срабатывании волновода;

- крепление зарядной камеры к опорной станине на быстросъемной стойке обеспечивает простое их отсоединение от станины и использование данного сборочного элемента конструкции при проведении измерений без демонтажа тестируемого акселерометра с испытываемого объекта на испытательной площадке, т.е. - универсальность конструкции.

- крепление стержня в опоре с возможностью линейного перемещения обеспечивает возможность регулировки величины передаваемого от волновода свободному его торцу ударно-волнового импульса, генерирующего волну упругой деформации в стержне, и сопутствующее ее распространению ускорение его отдельных сечений, что в итоге регистрируется эталонным и тестируемым акселерометрами при измерениях с демонтажем последнего с объекта.

В качестве примера изобретение иллюстрируется графической информацией:

На фиг. 1 схематически упрощенно показаны основные элементы конструкции устройства (резьбовые гнезда крепления акселерометров условно не показаны в силу их конструктивной простоты).

На фиг. 2 представлено устройство перед проведением тестирования акселерометра, демонтированного с объекта.

На фиг. 3 показан вариант быстросъемного крепления стойки с зарядной камерой к опорной станине.

На фиг. 4 - схема установки стойки с зарядной камерой на элемент конструкции испытываемого объекта при тестирования акселерометров без демонтажа с испытательных площадок.

Для упрощения изображений регистрирующая аппаратура и линии связи с ней акселерометров на иллюстрациях не показаны.

Числовыми позициями на прилагаемых иллюстрациях обозначено:

1 - опорная станина;

2 - металлический стержень;

3, 4 - гнезда для установки акселерометров;

5, 6 - эталонный и тестируемый акселерометры;

7 - инициирующий волновод (генератор ударно-волновой нагрузки);

8 - зарядная камера;

9 - выходное отверстие зарядной камеры;

10 - быстросъемная стойка;

11 - резьбовая втулка;

12 - кольцо из эластичного материала;

13 - клеммовое соединение стержня с опорной станиной;

14 - направляющие штифты;

15 - ответные отверстия под направляющие штифты;

16 - постоянный магнит;

17 - проточки (метки), отмечающие положение выходного отверстия зарядной камеры (оси канала волновода);

18 - устройство инициирования волновода.

Универсальное пиротехническое устройство для тестирования ударных акселерометров (фиг. 1, 2) содержит установленный на опорной станине 1 металлический стержень 2 с заданными упругими свойствами, на одном торце которого размещены гнезда 3, 4 для установки эталонного 5 и тестируемого 6 акселерометров, и генератор ударно-волновой нагрузки в стержне - инициирующий волновод 7, установленный со стороны свободного торца стержня в зарядной камере 8 с открытым выходом 9 в направлении горизонтальной оси симметрии свободного торца стержня, прикрепленной к опорной станине на быстросъемной стойке 10.

Фиксация волновода 7 в зарядной камере 8 осуществляется посредством резьбовой втулки 11 и кольца из эластичного материала (резины) 12.

Для обеспечения надлежащей фиксации, исключения «утечки» продуктов взрывного превращения заряда волновода 7 и надежной передачи ударной волны к свободному торцу стержня через выходной канал зарядной камеры 9, диаметр отверстий резьбовой втулки 11 и кольца 12 равны диаметру волновода, а диаметр выходного канала зарядной камеры - диаметру внутреннего канала волновода.

Крепление стержня 2 на опорной станине 1 выполнено с возможностью линейного перемещения путем использования клеммного соединения 13.

Быстросъемное крепление сборки «стойка 10 - зарядная камера 8» к опорной станине 1 (фиг. 3), как вариант, осуществляется сопряжением направляющих штифтов 14, расположенных на опорной станине 1, с ответными отверстиями 15 на стойке 10. Дополнительно взаимная силовая фиксация сборки 8, 10 со станиной 1 осуществляется постоянным магнитом 16, а ее точное позиционирование при снятии со станины и установке на элемент испытываемого объекта - с помощью проточек (меток) 17, отмечающих положение выходного отверстия зарядной камеры (оси канала волновода).

В силу конструктивных особенностей предложенного устройства, обеспечивающих универсальность применения, работа его может осуществляться двояким образом (фиг. 2).

1) При тестировании ударных акселерометров со снятием с подлежащих испытаниям объектов (деталей конструкций) и установкой их на стержень устройства осуществляют следующие операции:

Эталонный 5 и тестируемый 6 ударные акселерометры ввинчивают в соответствующие резьбовые гнезда 3, 4 стержня 2, закрепленного на опорной станине 1, используя динамометрический ключ, и соответствующими кабельными линиями соединяют их с регистрирующей аппаратурой.

Стойку 10 с зарядной камерой 8 присоединяют к станине 1 с помощью направляющих штифтов 14, соответствующих им ответных отверстий в стойке 15 и магнита 16.

Ослабив клеммовое соединение 13, перемещая стержень 2 в осевом направлении устанавливают необходимое (полученное расчетным или экспериментальным путем) расстояние между его свободным торцом и выходным отверстием зарядной камеры 9, после чего клеммовое соединение затягивают.

Отрезок инициирующего волновода 7 вставляют до упора в предназначенное для него отверстие резьбовой втулки 11 и завертывают ее от руки, воздействуя на кольцо из эластичного материала 12, радиальная деформация которого способствует надежной фиксации волновода в зарядной камере 8.

Свободный конец инициирующего волновода 7 насаживается на иглу разрядника инициирующего устройства 18 и стыкуется с ним непосредственно перед проведением тестирования.

При приведении в действие устройства инициирования 18 в канале волновода 7 происходит электрический разряд, возбуждающий взрывное превращение пиротехнического состава с образованием сильно сжатых и нагретых газообразных продуктов взрыва. Энергия, высвобождающаяся при взрывном превращении, идет на формирование ударной волны, распространяющейся по каналу волновода 7 с постоянными амплитудой и скоростью порядка 1900 м/с.

Ударная волна из волновода 7 проходит через выходное отверстие 9 зарядной камеры 8 в воздушный промежуток между стойкой 10 и свободным торцом стержня 2 (изменяя длину этого промежутка, можно менять уровень пиковой перегрузки). Так в экспериментальном образце устройства расстояние между выходным отверстием зарядной камеры и свободным торцом стержня было выбрано из условия обеспечения максимального ускорения в зоне действия эталонного 5 и тестируемого 6 акселерометров 100 g.

Свободно распространяясь по воздушному промежутку, ударная волна затухает до момента встречи с торцом стержня 2, служащего волноводом с фиксированными упругими свойствами (т.е. ударно-волновая нагрузка передается калибруемому и эталонному акселерометрам через стальной стержень). При последующем отражении воздушной ударной волны от свободного торца, давление в ней резко возрастает и в стержне генерируется упругая волна деформации. Достигнув противоположного торца стержня, упругая волна воздействует на эталонный 5 и тестируемый 6 акселерометры, они вырабатывают пропорциональные приобретенному ускорению электрические сигналы, которые передаются по кабельным линиям и записываются средствами регистрации. Зарегистрированные сигналы сравниваются между собой, и на основе этого сравнения определяется коэффициент чувствительности тестируемого акселерометра 6, делаются выводы о его исправности или метрологическом отказе.

2) При тестировании ударных акселерометров без демонтажа с подлежащих испытаниям объектов (деталей конструкций) непосредственно на испытательных площадках, осуществляют следующие операции:

Эталонный ударный акселерометр, используя динамометрический ключ, ввинчивают в резьбовое гнездо, отдельно выполненное на детали металлоконструкции испытываемого объекта вблизи места размещения тестируемого акселерометра, и отдельной кабельной линией соединяют с регистрирующей аппаратурой.

Так же, как и в вышеописанном варианте использования, один конец отрезка инициирующего волновода 7 фиксируют в зарядной камере 8, а второй соединяют с разрядником инициирующего устройства 18 непосредственно перед проведением тестирования.

Предварительно отсоединенная от опорной станины 1 сборка «стойка 10 - зарядная камера 8» устанавливается с помощью магнита 16 на элемент конструкции испытываемого объекта вблизи места расположения тестируемого и эталонного акселерометров. Ось выходного отверстия зарядной камеры 9 при этом должна располагаться на одинаковом расстоянии от калибруемого и эталонного ударных акселерометров. Для точной установки сборки 8, 10, на стойке 10 имеются проточки 17 (фиг. 3), отмечающие положение выходного отверстия зарядной камеры (оси канала волновода), совмещаемые с предварительно нанесенными на элемент конструкции объекта двумя взаимно перпендикулярными разметочными линиями (фиг. 4). Сборка должна располагаться на минимальном удалении от акселерометров, но не касаться их корпусов.

В случае калибровки ударных акселерометров без их снятия с элементов конструкции испытываемого объекта, выходное отверстие 9 зарядной камеры 8 перекрывается поверхностью детали, на которой установлены датчики. После приведения в действие устройства инициирования 18, и по окончании взрывного превращения в канале волновода, 7 ударная волна отражается от поверхности детали (обратно в канал волновода уходит отраженная ударная волна). При отражении массы газа, движущиеся за фронтом падающей на поверхность детали волны, тормозятся на поверхности и давление на ней скачком возрастает. Под действием приложенного к детали давления она быстро деформируется, и в ней возникают упругие волны, которые после короткого пробега вызывают движение монтажных поверхностей ударных акселерометров, которые вырабатывают пропорциональные приобретенному ускорению электрические сигналы, передаваемые по кабельным линиям и записываемые средствами регистрации.

Так же, как и в вышеописанном первом варианте использования устройства, выводы об исправности и соответствии технических характеристик или метрологическом отказе тестируемого акселерометра делаются путем сравнения зарегистрированных сигналов с него и эталонного акселерометра.

При воспроизведении ударно-волнового воздействия на ударные акселерометры могут применяться отрезки волновода отечественной неэлектрической системы инициирования «Коршун-М» (ТУ 7287-002-79853272-2013) и устройство инициирования волновода ИВ-2АМ.

Для тестирования методом сравнения в качестве эталонного может использоваться ударный акселерометр типа ICP 350С04, а для измерения выходных сигналов с датчиков - средства регистрации испытательных площадок, в частности, кабельные линии, измерительно-вычислительные комплексы типа MIC-553, MIC-503, осциллограф портативный цифровой типа R&S RTH1002 или цифровой смешанных сигналов типа Tektronix MS064B 6-BW-4000, а также иное регистрирующее оборудование, обеспечивающее проведение условия испытаний с надлежащей точностью.

Таким образом, предложенная конструкция устройства имеет небольшие габариты и массу, обладает универсальность, т.к. обеспечивает проведение тестирования ударных акселерометров, как с демонтажем, так и без их демонтажа с объектов на испытательных площадках. Одновременно устройство энергонезависимо и обеспечивает повышение уровня безопасности процесса производимых измерений.

Источники информации, принятые во внимание при описании заявки:

1) Патент Японии JP 4411034 В2 Calibration evaluation device and method for acceleration sensor by impact acceleration generation using multiple flying body, G01P 21/00, 2010 г.

2) Патент США US 5000030 A Method and apparatus for measuring dynamic response characteristics of shock accelerometer, G01P 15/00, G01P 15/12, G01P 21/00, 1991 г.

3) Патент США US 2010281944 (A1) Method and device for calibrating acceleration and force sensors, G01P 21/00, 2010 г. - прототип.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Пиротехническое устройство для тестирования ударных акселерометров содержит установленный на опорной станине металлический стержень с заданными упругими свойствами, на одном торце которого размещены гнезда для установки эталонного и тестируемого акселерометров, и генератор ударно-волновой нагрузки в стержне, установленный со стороны второго - свободного - торца стержня. В качестве генератора ударно-волновой нагрузки использован инициирующий волновод, устанавливаемый в зарядной камере с открытым выходом в направлении горизонтальной оси симметрии свободного торца стержня, прикрепленной к опорной станине на быстросъемной стойке. Крепление стержня в опоре выполнено с возможностью линейного перемещения. Технический результат – возможность тестирования акселерометров без их демонтажа с объектов на испытательных площадках, повышение уровня безопасности процесса производимых измерений, уменьшение габаритов и массы устройства. 4 ил.

Пиротехническое устройство для тестирования ударных акселерометров, содержащее установленный на опорной станине металлический стержень с заданными упругими свойствами, на одном торце которого размещены гнезда для установки эталонного и тестируемого акселерометров, и генератор ударно-волновой нагрузки в стержне, установленный со стороны второго - свободного - торца стержня, отличающееся тем, что в качестве генератора ударно-волновой нагрузки использован инициирующий волновод, устанавливаемый в зарядной камере с открытым выходом в направлении горизонтальной оси симметрии свободного торца стержня, прикрепленной к опорной станине с помощью быстросъемной стойки, при этом быстросъемная стойка содержит постоянный магнит для крепления быстросъемной стойки к опорной станине или к объекту с расположенными в нем тестируемым и эталонным акселерометрами, при этом крепление стержня в опоре опорной станины выполнено с возможностью линейного перемещения.