Устройство для динамической тарировки датчиков давления Советский патент 1992 года по МПК G01L27/00 

сл

с

Использование: изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для тарировки датчиков давления при .быстропеременных процессах. Изобретение решает задачу повышения полезного использования мощности источника тари- ровочного сигнала и уменьшения погрешности формирования плоской волны в плоскости расположения тарируемых датчиков. Для этого устройство содержит камеру, одна из стенок которой имеет параболическую форму. В ее фокусе расположен источник тарировомного сигнала в виде электродов. За электродами закреплен с помощью опоры экран гиперболической формы. Опора прикреплена к плоской стенке камеры. Тарируемые датчики давления устанавливаются в стенке. 1 з.п.ф-лы, 2-ил.

Изобретение относится к приборостроению и конкретно может быть использовано при тарировке датчиков давления на сверхвысокие импульсные давления с плоскими фронтами нарастания давления, особенно в тех случаях, когда к плоской форме фронта волны предъявляются повышенные требования.

Устройство для динамической тарировки датчиков давления на импульсные давления с заданной формой фронта нарастания давления известны. Например, 1 предназначено для тарировки датчиков давления на импульсные давления со сферическим фронтом волны

Известно также 2. при котором датчики используются импульсным давлением с цилиндрическим фронтом нарастания. В технике часто используются датчики давления, работающие в условиях плоских волн, например гидроакустические датчики, причем при разработке на значительных удалениях от источника давления фронт волны таких источников является плоским с высокой точностью. Поэтому имеется потребность в тарировке датчиков давления, работающих со строго плоским фронтом нарастания давления.

Ближе всех к заявляемому устройству по технической сущности и достигаемым результатам относится 3, предназначенное для тарировки датчиков давления на импульсные давления с плоским фронтом нарастания давления. Устройство содержит камеру, выполненную в виде герметичного параболического цилиндра, закрытого с торцов крышками. В плоскости, перпендикулярной плоскости симметрии цилиндра, расположена плоская стенка, с находящимися на ее внутренней поверхности датчиками давления. Вдоль линии фокусов параболического цилиндра в держателе

v4 х| 00 СЛ 00 XI

расположены источник тарировочного сигнала, выполненный в виде заряда взрывчатою вещества с электродетонатором,

Между источником тарировочного сигнала и стенкой с закрепленными на ней датчиками расположен плоский экран. Экран закреплен с помощью бобышек за держатель источника тарировочного сигнала, а плоскость экрана перпендикулярна плоскости симметрии параболического цилиндра.

Камера заполнена рабочим телом: жидкостью или газом.

При подаче питания на электродетонатор происходит взрыв заряда вдоль фокусов параболического цилиндра. Возникающая при этом ударная волна с цилиндрическим фронтом нарастания давления с помощью стенки в виде параболического цилиндра, отражаясь от нее, преобразуется в волну с плоским фронтом и направляется к плоской стенке, подвергая датчики давления воздействию.

Экран препятствует попаданию на датчики прямой цилиндрической волны источника, волны-предвестника, что препятствует растягиванию переднего фронта падающей на датчики волны, т.е. обеспечивает более крутой фронт импульса давления.

Недостатками устройства 3 является низкое использование мощности источника тарировочного сигнала и значительная погрешность формирования плоской волны в плоскости расположения датчиков,

Причина этого заключается в форме экрана и способе его закрепления в камере. Используя лучевую трактовку (что при возбуждении ударной волны допустимо, т.к. энергетический спектр таких волн простирается до частот свыше 10 КГц), нетрудно усмотреть, что лишь волны, попадающие на поверхность параболического цилиндра непосредственно от источника тарировочного сигнала, будут преобразованы им при отражении в плоскую волну, Лучи же, попадающие на поверхность параболического цилиндра в результате переотражения от плоского экрана, уже не будут параллельны плоскости симметрии параболического цилиндра и будут искажать создаваемый плоский фронт волны. Поэтому часть полезной энергии источника тарировочного сигнала не просто используется зря, а вызывает искажение фронта плоской волны.

Это искажено тем больше, чем больше площадь экрана по отношению к площади раскрыва параболического цилиндра, Кроме того, рассеяние полезной энергии источника тарировочного сигнала происходит и

на элементах конструкции закрепления экрана, в частности на бобышках, скрепляющих экран с держателем источника тарировочного сигнала. Причем опять же

эта энергия, рассеянная на элементах конструкции крепления экрана, не просто теряется, а искажает плоский волновой фронт, повышает общий реверберационный фон в камере, а также из-за поднятия уровня ре0 верберационного фона в камере уменьшается динамический диапазон тарировки.

Целью изобретения является повышение полезного использования мощности источника тарировочного сигнала и

5 уменьшение погрешности формирования плоской волны в плоскости расположения датчиков,

Для этого в известном устройстве для динамической тарировки датчиков давле0 ния, содержащем герметичную камеру, заполненную рабочей средой, одна из стенок которой выполнена выпуклой с образующей в виде параболы, а противоположная стенка с гнездами под датчики давления - плоской,

5 источник тарировочного сигнала, расположенный в фокусе выпуклой стенки, а также экран, закрепленный на опоре между источниками тарировочного сигнала и плоской ее стенкой, экран также выполнен выпуклым и

0 обращен выпуклостью в сторону источника тарировочного сигнала, а образующая профиля выпуклой поверхности экрана выполнена в виде гиперболы, фокусы гиперболы лежат на оси параболы, причем первый фо5 кус гиперболы и фокус параболы совмещены, а поперечный размер гиперболического экрана равен расстоянию между точками пересечения указанной ветви гиперболы с прямыми идущими из второго фокуса гипер0 болы к концевым точкам параболического профиля стенки камеры.

Кроме того, опора экрана расположена между экраном и плоской стенкой в области тени экрана, а основание опоры закреплено

5 на плоской стенке.

Выполнение экрана выпуклым, с гиперболическим профилем, обращенным выпуклостью в сторону источника тарировочного сигнала, обеспечивает отражение волны от

0 экрана таким образом, что, вторично отражаясь уже от выпуклой стенки с параболическим профилем, фронт волны становится плоским. Возможно это только при расположении фокусов гиперболы на одной оси с осью парабо5 лы, и при совмещении фокуса параболы с фокусом гиперболы, который находится со стороны выпуклости гиперболы, взятой в качестве профиля выпуклого экрана.

Для того, чтобы исключить попадание волн, отраженных от гиперболического экрана на боковую поверхность камеры, и тем самым уменьшить искажение плоского фронта волны, попадающей на плоскую стенку с датчиками, поперечный размер гиперболического экрана выполнен равным расстоянию между точками пересечения указанной ветви гиперболы с прямыми идущими из второго фокуса гиперболы к концевым точкам параболического профиля стенки камеры,

Для того, чтобы исключить вредное рассеяние волн на опоре экрана, уменьшив тем самым реверберационный фон в камере, опора экрана расположена между экраном и плоской стенкой в области тени экрана, а закрепление основания опоры выполнено на плоской стенке.

На основании сравнения выявленных аналогичных технических решений с заявляемым был сделан вывод: у известных ре- шений не было выявлено признаков или сочетания признаков тождественных отличительным признакам заявляемого объекта, сообщающих объекту такие же свойства.

Таким образом, заявляемое техниче- ское решение соответствует критерию существенные отличия.

Выпуклая стенка камеры с параболическим профилем может быть выполнена как в виде параболоида вращения (при враще- нии параболы относительно ее оси), так и в виде параболического цилиндра как в прототипе при плоско-параллельном переносе параболы. Если выпуклая стенка камеры выполнена в виде параболоида вращения, то и экран выполнен в виде гиперболоида вращения (одной полости двухполостного гиперболоида вращения), Если же выпуклая стенка камеры выполнена в виде параболического цилиндра, то и экран должен быть выполнен в виде гиперболического цилиндра.

На фиг.1 изображено предлагаемое устройство с выпуклой стенкой в виде параболоида вращения.

Фиг.2 поясняет принципы формирования плоской волны за счет экрана гипербо- лической формы.

Устройство содержит (фиг.1) заполнен- ную рабочим телом 1, например водой, герметическую камеру, ограниченную с одной стороны выпуклой стенкой 2, выполненной в виде параболоида вращения, обращенного выпуклостью наружу, а с противополож- ной стороны - плоской стенкой 3. Боковая стенка 4 выполнена в виде кругового цилиндра. На плоской стенке 3 размещены датчики 5 давления. В параболическую стенку 2 камеры герметично и изолировано

введены с помощью держателей 6 электроды 7, клеммы 8 питания которых находятся снаружи камеры. Разрядный промежуток электродов 7 расположен в фокусе параболической стенки 2 камеры. За электродами 7 расположены выпуклый экран 9, обращенный выпуклостью в сторону электродов. Профиль выпуклой поверхности экрана 9 задан в форме одной ветви гиперболы, фокусы которой лежат на оси параболоида вращения, причем первый фокус гиперболы и фокус параболоида вращения совпадают. Выпуклая поверхность экрана образована вращением гиперболы относительно ее оси, т.е. экран по форме представляет собой одну усеченную полость двухполостного гиперболоида вращения.

Гиперболический экран 9 с помощью спиц 10 прикреплен к вершине опоры 11, выполненной в виде трубки, расположенной вдоль оси камеры и закрепленной основанием 12 в центре .плоской стенки 3. Камера размещена на массивном основании 13 из стекла для погашения вибраций, возникающих в результате ударной волны при электрическом разряде, в рабочем теле, а также для выполнения функций электроизолятора.

Устройство для.динамической тарировки датчиков давления работает следующим образом.

До начала тарировки на плоской стенке 3 камеры устанавливают датчики 5 давления, по крайней мере один из которых калиброванный, т.е. с известными характеристиками.

Камеру заполняют рабочим телом, в частности водой. (Штуцер для заполнения камеры рабочим телом на фиг.1 не показан).

При подаче напряжения на электроды 7 возникает электрический разряд и в рабочем теле 1 камеры возбуждается расходящаяся сферическая ударная волна с центром в разрядном промежутке, находящаяся в фокусе параболоида вращения, расходясь импульс давления со сферическим фронтом нарастания достигает как параболической стенки 2 камеры, так и гиперболического экрана 9. Отражаясь от параболической стенки 2 камеры, волна со сферическим фронтом нарастания давления непосредственно преобразуется в волну с плоским фронтом (как в прототипе), но отразившись от гиперболического экрана 9, фронт волны остается сферическим, однако мнимый центр ее находится теперь за гиперболическим экраном в фокусе полости гиперболо- идя вращения. Отражаясь уже второй раз от параболической стенки 2, эта сферическая

волна также преобразуется в волну с плоским фронтом. Внося существенную энерге- тическую добавку к плоской волне, образованной при отражении сферической волны, исходящей непосредственно из разрядного промежутка, находящегося в фокусе параболоида вращения.

Ударная волна с плоским фронтом нарастания давления воздействует на датчики 5, находящиеся на плоской стенке 3, и по результатам воздействия этой волны на испы- туемые датчики и калиброванные путем сравнения осуществляется тарировка испытуемых датчиков.

Фиг,2 поясняет образование этой дополнительной плоской волны, образованной за счет гиперболического экрана. Толстой линией на фиг.2 изображено поперечное сечение камеры (сечение камеры в меридиональной плоскости, если стенка 2 выполнена в виде параболоида вращения, как на фиг.1, и сечение камеры, перпендикулярное образующей параболического цилиндра, если стенка 2 камеры выполнена в виде параболического цилиндра).

Контур камеры обозначен буквами ALBCD. ALB - профиль стенки 2 камеры представляет собой участок параболы a La. JKG - профиль экрана 9 представляет собой участок гиперболы b kb.

Для того, чтобы первый фокус гиперболы являлся также и фокусом параболы, уравнения параболы и гиперболы должны быть взаимозависимы:

у - ± V -г /- к

параболы

(с+) -уравнение

Y ± b V/2il -HI уравнение гиперболыV

где а и b - полуоси гиперболы; Р - параметр параболы;

Для конкретности на фиг.2 представлены эти взаимосвязанные парабола и гипербола при следующих значениях:

,5

Р

На фиг.2 представлена лучевая трактовка формирования плоской волны из сферической волны точечного источника тарировочного сигнала, находящегося в фокусе FI. Каждый луч на фиг.2 перпендикулярен поверхности волнового фронта волны.

Лишь один луч FiR из представленных на фиг.2 изображен идущим из точечного

источника (точки FI) тарировочного сигнала непосредственно на параболическую стенку 2. Так же как и в прототипе это луч, который при отражении (луч RQ) соответствует

локальному участку плоской волны, падающей на плоскую стенку 3 с датчиками. Таких лучей из точки FI исходит множество, но все они не изображены, чтобы не загромождать чертеж. Изображен лишь сектор расходя0 щихся лучей, ограниченных лучами FiG и FiJ, падающих на гиперболический экран 9 и которые при двойном переотражении (от гиперболического экрана 9 и от параболической стенки 2) дополнительно формируют

5 волну также с плоским фронтом.

Отраженный луч строится, как известно, таким образом, что угол падения, отсчитываемый от нормали к поверхности в точке падения луча до падающего луча, равен углу

0 отражения, отсчитываемому от этой нормали до отраженного луча. (В оптике этот закон известен как закон Снеллиуса). Если лучи, отраженные от гиперболического эк- рана 9 (см.фиг.2), построены таким образом,

5 чтобы продолжить в противоположном направлении на экран 9, то они сойдутся в точке F2. Т.е. лучам, отраженным от гиперболического экрана, соответствует волна со сферическим фронтом с центром во втором

0 фокусе Fa гиперболы B kB.

Для того, чтобы лучи, отраженные от гиперболического экрана 9, не попадали на боковую цилиндрическую стенку 4 камеры и при отражении от этой боковой стенки но

5 образовывали бы лучей, не параллельных оси ОХ, размер гиперболического экрана ограничен точками G и J пересечения прямых F2A и F2B, идущих из фокуса F2 к концевым точкам А и В параболического контура каме0 рьк

За экран 9 в заштрихованную на фиг.2 область JGHT распространяющаяся волна попасть не может, за исключением незначительной части, из-за дифракции волн на кра5 ях экрана, поэтому рассеяние волны на опоре 11, расположенной в этой зоне тени (см.фиг.1), не будет, что способствует уменьшению реверберационного фона в камере. Технический эффект от применения

0 изобретения состоит в более полном использовании мощности источника тарированного сигнала и уменьшении погрешности формирования плоской волны в плоскости расположения датчиков, а так5 же расширении динамического диапазона тарировки датчиков за счет снижения реверберационного фона в камере. Формула изобретения 1. Устройство для динамической тарировки датчиков давления, содержащее repметичную камеру, заполненную рабочей средой, одна из стенок которой выполнена выпуклой с образующей в виде параболы, а противоположная стенка с гнездами под датчики давления выполнена плоской, источник тарировочного сигнала, расположенный в выпуклой стенки, а также экран, закрепленный на опоре между источником тарировочного сигнала и плоской ее стенкой, отличающееся тем, что, с целью повышения полезного использования мощности источника тарировочного сигнала и уменьшения погрешности формирования плоской волны

Фые./

0

в плоское™ расположения датчиков, в нем экран выполнен выпуклым и обращен выпуклостью в сторону источника тарировочного сигнала, а образующая профиля выпуклой поверхности экрана выполнена в виде ветви гиперболы, фокусы гиперболы лежат на оси параболы, причем первый фо- i кус гиперболы и фокус параболы совмещены.

/3

Фиг. 2