Устройство для измерений линейных перемещений Советский патент 1992 года по МПК G01B17/00 

Изобретение относится к измерительной и экспериментальной технике и может быть использовано для контроля, измерения и регистрации линейных перемещений подвижных объектов или механизмов с ограниченным участком перемещения, например, глубоководных манипуляторов или штоков гидроцилиндров.:

Известен преобразователь линейных перемещений, содержащий объект, отражающий зондирующий ультразвуковой импульс, электронный блок, измеряющий время пробега зондирующего импульса до объекта и обратно, две дополнительные отражающие плоскости, дополнительный электронный блок, измеряющий время пробега дополнительного зондирующего импульса между ими, необходимое для

определения текущего значения скорости звука в жидкости. . .

Недостатком известного преобразователя является погрешность, вносимая воздействием температуры и давления на дополнительную акустическую 6аз% ограниченную двумя дополнительными отражающими плоскостями, а также сложность электронного блока из-за необходимости точного измерения малых интервалов времени, за которые зондирующий импульс пробегает расстояние между дополнительными отражающими плоскостями.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является измеритель скорости звука, содержащий цилиндрический корпус, размещенный в торце корпуса протектор, прилегающий к внутренней поверхности протектора приемно-излучаюXI

к со о сл

XJ

щий электроакустический преобразователь, электронный блок, электрически связанный с обратимым электроакустическим преобразователем, отражатель, соосно противолежащийпротектору, термобарокомпенсатор изменяемой акустической базы.

Недостатком этого преобразователя является погрешность, обусловленная наличием некомпенсированных паразитных задержек в электронном и акустическом трактах измерителя, а также ограниченность применения из-за необходимости эталонной жидкости с известным и постоянными температурой и давлением.

Цель изобретения - повышение точности за счет компенсации погрешностей, вносимых воздействием внешних факторов.

Цель достигается тем, что устройство, содержащее цилиндрический корпус, параллельный его торцовой поверхности первый протектор, прилегающий к внутренней поверхности протектора, первый приемоиз- лучающий электроакустический преобразо- ватель, размещенный в корпусе электронный блок и отражатель, соосно противолежащий торцовой поверхности корпуса, снабжено вторым протектором, прилегающим к.внутренней поверхности второго протектора вторым приемоизлуча- ющим электроакустическим преобразователем, установленными на торцовой поверхности корпуса разновысокими первой и второй герметическими опорами, на которых размещены первый и второй протекторы соответственно, и электронным коммутатором для поочередного подключения преобразователей к электронному блоку. .

На чертеже показано устройство, продольный разрез.

. Устройство состоит из цилиндрического корпуса 1, в котором расположен электронный блок 2, электрически соединенный с коммутатором 3, первого приемоизлучаю- щего электроакустического преобразователя 4, защищенного первым протектором 5, установленным на первой герметичной опоре 6, второго приемоизлучающего электроакустического преобразователя 7, защищенного вторым протектором 8, размещенным на второй герметичной опоре 9, отражателя 10, соединителя 11 и перемещаемого объекта 12.

Устройство работает следующим образом.

Электронный блок 2 измерителя линейных перемещений, размещенный в герметичном корпусе 1, через коммутатор 3 подключен к одному из приемоизлучающих

электроакустических преобразователей, например, к размещенному в герметичной опоре 9 преобразователя 7, защищенному от воздействия внешней среды протектором 8. Так как расстояние от преобразователя 7 до отражателя 10, закрепленного соединителем 11с перемещаемым объектом 12 равно Hi, и частота циркуляции ультразвуковых импульсов ft. После того, как

коммутатором 3 будет отсчитано необходимое для измерения частоты следования количество импульсов, он переключит электронный блок 2 на лриемоизлучающий электроакустический преобразователь 4,

размещенный на расстоянии На от отражателя 10. В этом случае, при неизменном положении отражателя 10, частота циркуляции ультразвуковых импульсов будет f2. При работе с одним приемоизлучающим электроакустическим преобразователем точность зависит от величин погрешностей, вносимых воздействием температуры и давления - ДСтр; наличием протектора А Сгк паразитным временем задержки в электронных цепях Л Сэ. Йспольт зуя один и тот же отражатель 10, отражающий ультразвуковые импульсы, излучаемые попеременно преобразователям 4 и 7, отстоящими на разном расстоянии от

отражателя 10, позволяет исключить временные паразитные задержки, приводящие к погрешности .измерений расстояния до объекта 12.

Время одного периода для каждого преобразователя суммируется из следующих составляющих;

,р+тп+ гэ+-г;с

. G

где Тп - время периода, с; Тт,р - задержка, вносимая дестабилизирующим воздействием температуры и давления .на величину акустического пути ультразвукового импульса, с:

т п - задержка, вносимая протектором, С;

Тз - задержка в электронных цепях, с;

Hi - величина акустического пути ультразвукового импульса, м;

с - скорость распространения ультра- звукового импульса, м/с.

Тогда разность периодов первого и второго приемоизлучающих электроакустических преобразователей будет представлять

.р+Дгп+Дгэ+, с,

и задержки, вносимые протектором, при равной их толщине, компенсируются полностью, а, с учетом теплового и барического

-,M/Q

изменения величины пути ультразвукового импульса в жидкости и небольшого изменения величины паразитной задержки в электронных цепях при изменении частоты следования ультразвуковых импульсов скорость звука в жидкости равна

()fa(.v

где Д H1 Ж-Н2 - разность длин акустических баз, м;

Д t Гэ-гэ - изменение времени задержки в электронных цепях при изменении частоты следования ультразвуковых импульсов, с.

Расстояние от протектора до отражателя теперь определяется из выражения:

,м , .

без поправочных коэффициентов, так как погрешности компенсируются при условии и неизменности разности длин акустических баз Но. что обеспечивается применением материалов герметичных опор с такими величинами температурных коэффициентов линейного расширения ал и иг, такими величинами модуля Юнга Ег и Е2

да Ег

r что вытекает,

соответственно, что

да Е2 а совместно ж с

для температурных приращений, например, из равенства выражений ДН Д12- ИдаД At, откуда H ог

.

а для барических приращений соответственно И Ei

h-H

Таким образом, при проведении измерений всегда известно текущее значение скорости звука в жидкости независимо от ее температуры, давления или газонасыщенности, известны и компенсируемые паразитные задержки в электронных цепях измерителя, исключено влияние на результаты измерений протектора. В случае прецизионных измерений, где необходимо учесть приращение длины перемещаемого объекта относительно плоскости торца измерителя, вовнутрь объекта устанавливается компенсатор с перестраиваемым отношением длин плеч под воздействием температуры и давления, а на компенсатор устанавливается отражатель.

Например, в случае разности высот Но герметичных опор, равной 0,03 м и среде, в которой работает измеритель - в морской воде, погрешности, вносимые воздействием температуры и давления ДСт.р 3 -КГ3 м/с. вносимые протектором, влияние кото0

5

0

5

0

5

0

5

0

рого заключается в изменении его толщины при воздействии максимально достижимого по условиям технического задания температурного градиента:

Д|ПН п « Дгмакс

где - приращение толщины протектора, м; ; .; :

in - толщина протектора;, м;

ап - ТКЛР материала протектора, 1/град;

Дтмакс максимальная величина температурного градиента, °С. . : Так как для морской воды в натурных условиях рабочий диапазон температур находится в пределах 2-35°С, то при толщине протектора 1 мм, Д|макс 3700,, а погрешность an составляет примерно

М/С.: .

Влияние времени задержки в электронных цепях определяется по формуле

1

a-Cr F (j

:)

м/с

;F -.-Cn . где F - частота выходного сигнала, Гц:

Н - длина пути пробега ультразвукового импульса, м;

Тп - время задержки, мкс.

При типовой длине пробега погрешность Ост- вносимая временем задержки в электронных цепях, порядка м/с. Поэтому условие компенсации погрешностей обязательно для точного функционирования устройства и осуществляется в случае идентичности материалов и толщины протекторов, так и приемоизйучающих электроакустических преобразователей, это, в случае приемоизлучающих электроакустических преобразователей, достигается применением пленочных пьезоэлектриков или электретов. Наиболее применимы пленки ПВДФ, выпускаемые толщиной 10-25 мкм, металлизированные с одной или обеих сторон, с прочностью на растяжение 50 МПа, при сжатии 70 МПа.

Для герметичной опоры с высотой h вы- бирают материал - сталь нержавеющую 30X13 с ТКЛР «2 11 10 6/град и модулем Юнга Е2 210000 МПа, для герметичной опоры с высотой Ci - латунь ЛЖМц-59-1-1, с ТКЛР a 22-10 6 1/град, и модулем Юнга 000 МПа. Так как И Q5r EI TJ «1 Н

откуда следует, что воздействие температуры компенсируется полностью, а погрешность, вносимая разбалансом необходимого отношения Ei/E2 (по расчету необходимо значение Ei t05-103 МПа, а фактическое значение - 106-103 МПа} составляет 5 м, что приводит к изменению значения скорости звука на 2,24-10 м/с, чем можно пренебречь. Обычно конкретные материалы имеют разброс значений а и Е в пределах одного-двух процентов. В случае отклонения одного из значений в указанных пределах погрешность не превышает м/с, а так как обычно при работах на море максимальное значение температуры и давления не совпадают, то точность изме- рений гарантируется.

Использование предлагаемого изобретения позволяет с высокой чувствительностью измерять абсолютное перемещение объекта при упрощении конструкции и уменьшении габаритов преобразователя, а также использовать одно и то же устройство для измерений перемещений различных объектов путем простой установки устройства в посадочные гнезда, использовать од- нопроводные линии связи, так как при частотном выходе возможно совмещение питания электронного блока устройства постоянным напряжением, что упрощает герметизацию электровводов, особенно для больших глубин.

Формула изобретения Устройство для измерений линейных перемещений,содержащее цилиндрический корпус, параллельный его торцовой поверхности первый протектор, прилегающий к внутренней поверхности протектора первый приемоизлучающий электроакустический преобразователь, размещенный в корпусе электронный блок и отражатель, со- осно противолежащий торцовой поверхности корпуса, отличающийся тем, что, с целью повышения точности за счет компенсации погрешностей, вносимы воздействием внешних факторов, оно снабжено вторым проектором, прилегающим к внутренней поверхности второго протектора, вторым ириемоизлучающим электроакустическим преобразователем, установленными на торцовой поверхности корпуса разновысокими первой и второй герметичными опорами, на которых размещены первый и второй протекторы соответственно, и электронным коммутатором для поочередного подключения преобразователей к электронному блоку.

Изобретение относится к измерительной и экспериментальной технике и может быть использовано для контроля, измерения и регистрации линейных перемещений подвижных объектов или механизмов с ограниченным участком перемещения, например, глубоководных манипуляторов или штоков гидроцилиндров. Цель изобретения - повышение точности за счет компенсации погрешностей, вносимых воздействием внешних факторов. Используя один и тот же отражатель. 10, отражающий ультразвуковые импульсы, излучаемые приемоизлучаю- щими преобразователями 4 и 7, поочередно подключаемыми электронным коммутато- ром 3 к электронному блоку 2 и отстоящими на разном расстоянии от отражателя 10. позволяет исключить временные паразитные задержки, приводящие к погрешности измерений расстояния до объекта 12.1 ил. сл с