Емкостной датчик мгновенной скорости движения проводящей поверхности Советский патент 1979 года по МПК G01P3/50 

Изобретение относится к области измерения параметров движения и может найти применение при исследовании некоторых переходных процессов в газодинамике сплошных еред. Известный датчик скорости движения объекта 1, содержащий емкостной преобразователь, не позволяет получить информацию о мгновенной скорости. Известен также емкостной датчик мгновенной скорости движущейся поверхности, наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению 2, у которого одной обкладкой является сама контролирув мая поверхность, а вторая выполнена в виде пластины-зонда. Однако такой датчик имеет следую щие недостатки. Измеряемая скорость не должна превышать 2-3 км/с, при больших ее значениях за фронтом воздушной удар ной волны, распространянпцеися перед движущейся поверхностью, возникает электропроводность, искажающая результаты измерения скорости. Для исключения влияния краевых . эффектов при возрастании базы изме рения скорости движущейся поверхно ти пропорционально должен возрастать и размер электродов конденсата С, что часто связано с большими практическими трудностями. Разрешающая способность датчика, как правило, позволяет уверенно регистрировать лишь 2-3 первых скачка скорости движущейся поверхности, поскольку величина напряжения, соответствующего каждому последующему скачку, быстро нарастает и регистри.руемый сигнал выходит за пределы установленной чувствительности прибора. Цель изобретения - повьаиение разрешающей способности и расширение Диапазона измеряемых скоростей. Это достигается тем, что в предлагаемом датчике пластина-зонд уложена имеете с дополнительной пластиной из диэлектрика непосредственно на контролируемую поверхность причем дополнительная пластина расположена между пластиной-зондом м проводящей поверхностью я выполнена из материала с меньшей акустической жесткостью, чем у материала пластины-зонда и контролируемого объекта, а ее разме ры выбраны из соотношений.; ,2T,V (., где h - толщина диэлектрической пластины; hj - толщина пластины-зонда; Df, - диаметр диэлектрической пластины; Оз - диаметр пластины-зонда; Т - время движения с постоянно скоростью поверхности исследуемого тела; Т - время измерения скорости; плотность материала пласти ны-зонда; Pf - плотность материала диэлек рической пластины; GO - скорость звука в воздухе; Vf - скорость ударной волны в пластине из диэлектрика. На фиг. 1 представлена электриче кая схема предлагаемого датчика; на фиг. 2 - взаимное расположение плас тин и контролируемой поверхности во время измерения. Датчик состоит из пластины-зонда 1, пластины из диэлектрика 2 и проводящей поверхности 3, которая явля ется второй обкладкой и скорость ко торой измеряют. . За счет того, что в начальные мо менты времени после откола диэлектрической пластины пластина-зонд движется со скоростью УО, а поверхность исследуемой пластины с V(t)Vo, емкость конденсатора, образованного этими пластинами, начинает изменяться. Поскольку этот конденсатор включен в цепь источника электродвижущей силы Е, то при изменении его емкости в электрической цепи начинает протекать электрический ток О(т), а на вход осциллографа с сопротивления Ев на инает поступать электрическое напряжение Vg(t) , несущее информацию о движении обкладок конденсатора. Рассмотрим электрическую цепь емкостного датчика Vg ECdC/diX Рассмотрим случай плоского конден сатора, одна из обкладок которого движется со скоростью V (пластиназонд) , а другая (поверхность исследу мой пластины) - со скоростью V(t). Емкость конденсатора С- f . Х -JuVdt

где AV VC-t)-Vo, , Х-Хр-е

с относительная диэлектрическая проницаемость материала диэлектрической пластинки, о - диэлектрическая проницаемость вакуума; Хо рас-стояние между обкладками конденсатбФормула изобретения

Емкостной датчик мгновенной скорости движения проводящей поверхности, одной из обкладок которого является сама контролируемая поверхность, а вторая выполнена в виде пластиныра (толщина диэлектрической пластинки) , S - площадь пластинки. . Решая это уравнение относительно у AVdt и дифференцируя, получим AV(-t) oCC CdC/di) Опуская промежуточные выкладки, приняв z(,a) -2 AV(fc)Z(t)x fzCtldi И, наконец, заменяя дУ(Ъ) V(t)-Vo , получим Va)(t)Гo +rz(t)dtl Важной особенностью рассматриваемого датчийа является то, что в течение некоторого времени после отрыва между двумя движущимися поверхностями нет воздуха, поскольку его движение от периферии пластины к ее центру происходит с конечной скоростью. Если диаметры пластины-зонда и пластины из диэлектрика выбраны из соотношения (O-CoT-vT), где Т - полное время измерения скорости V(t), и диаметры пластины и зонда соответственно, то в течение времени измерения в межэлектродном пространстве сохраняется вакуум и ограничение, накладываемое на величину измepяe 4Oй скорости будет ликвидировано. Для определения скорости движения поверхности V(t) необходимо знать скорость Vfl движения отлетающей пластины из диэлектрика, которая заранее неизвестна и требует специального определения. В случае, когда ударные адиабаты материала исследуемого тела и материала пластины из;вестны, возможно непосредственное определение скоростей V и V(t) на 1начальном участке их движения. После ;чего дальнейший расчет скорости V(t) производится по формуле V(il Vo+za)xJ- Г z(t)dt, о Если одна из двух адиабат или обе неизвестны, то необходимую для расчетов постоянную скорость отлетевшего электрода следует определять экспериментально каким-либо другим способом, например путем контактных измерений.

зонда, отличающийся тем, что, с целью повышения разрешающей способности и разрешения диапазона измеряемых скоростей, пластина-зонд уложена вместе с дополнительной пластиной из диэлектрика непосредственно на контролируемую поверхность, причем дополнительная пластина расположена между пластиной-зондом и проводящей поверхностью и выполнена из материала с меньшей акустической жесткостью, чем у материала пластинызонда и контролируемого объекта, а ее размеры выбраны из соотношений

,2Т,М„

,

где hf,- толщина диэлектрической пластины;

D( - диаметр диэлектрической пластины;

hj - толщина пластины-зонда; D - диаметр пластины-зонда; Т- время измерения скорости; Т( - время движения с постоянной скоростью проводящей поверхности;

Pfj- плотность материала диэлектрической пластины;

Яд- плотность материала пластины-зонда;

Сд - скорость звука в воздухе; V - скорость ударной волны в пластине из диэлектрика.

Источники информации,.принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР №331314, кл. G 01 Р 3/64, 1970.

2. Журнал Приборы и техника эксперимента , №1, 1963, с. 135-138.

Cft)

О

fh

55og XXX QOQQgQ 34 J XXX & gQ4