Стенд для динамической градуировки преобразователей давления оптическими средствами Советский патент 1982 года по МПК G01L27/00 

ка и компенсатора пульсаций показат ля преломления, расположенного в оп ном плече интерферометра, датчик частоты пульсаций, выполненный в.ви оптически связанных источника колли мированного света и диафрагмы, совп дающей по форме с профилированным соплом резонансной трубы, и второго фотоприемника, расположенных по раз личные стороны диска, и регистрируго щуго аппаратуру, введены последовательно соединенные иподключенные к выходам первого и второго фотопри емников импульсное сравнивающее устройство и измеритель периода следования нулевых уровней фототока, подключенный к входу регистри рующей аппаратуры, а компенсатор пу льсаций -выполнен в виде камеры пере менного давления, прозрачной в направлении оптической оси, соединенной через введенньгй в стенд распределительный кран с пневмоаккумулятором, образцовым манометром и электромагнитным дистанционным кл паном, электрический вход которого соединен с пусковым входом измерите ля периода следования нулевых уровней фототока. При этом камера переменного давления выполнена в виде оптической к веты переменной ширины с возможностью перемещения в направлении, ортогональном оптической оси. Сущность изобретения заключается в том, что в опорном плече интер ферометра располагается камера проз рачная для излучения лазера, давление в которой меняется по известному закону. С помощью электронной аппаратуры определяется момент времени, когда происходит .компенсация пульсаций давления в измерительном плече интерферометра, по которому определяется перепа д статического давления за время, равное четверти периода упругих колебаний. Таким образом, осуществляется своеобразная привязка образцовой аппаратуры к статическим эталонам давления. На фиг. 1 представлена конструктивная общая схема предлагаемого ус ройства; на фиг. 2 - эскиз камеры переменного давления , на фиг. 3 структурная схема регистрирующей аппаратуры; на. фиг. 4а,б,в,г - временны диаграммы, поясняющие работу предлагаемого устройства. Устройство (фиг. 1} содержит рабочую камеру, выполненную в виде резонансной трубы 1, с расположенными в ней градуируемыми преобразователями (не показаны). Длина резо.нансной трубы может изменяться с по мощью подвижного поршня 2, через который в рабочую камеру подается давление через вентиль 3. Резонанс1 ая труба 1 заканчивается профилированным соплом 4. Сопло 4 перекрывается диском 5, имеющим прорези б. Диск закреплен на валу электродвигателя (не показан). ОбразцовЕлм преобразователем в устройстве служит оптический интерферометр, содержащий лазерный источник 7 света, светоделитель 8, зерксша 9 и 10, фотоприемник 11. Интерферометр расположен таким образом, чтобы его рабочий луч проходил через оптические окна 12 резонансной трубы 1, а опорный - через прорезь диска 5. В опорном плече интерферометра расположен компенсатор упругих колебаний, выполненный в виде камеры 13 переменного давления, включение которой осуществляется электромагнитным дистанционным клапаном 14 (фиг. 1 и 2). Устройство содержит также измеритель частоты пульсаций, выполненный в видеисточника 15 света, линзы 16 светового экрана 17 с отверстием 18, совпадающим по форме с профилированным соплом 4, и фотоприемника 19. Элементы 15-18 и фотоприемник 19 расположены по разные стороны диска 5. При этом по отношению к прорезям диска опорный луч интерферометра и профилированное сопло 4 расположены таким образом, чтобы осуществлялся стробоскопический режим работы интерферометра в моменты времени, соответствующие уменьшению величины переменного давления за четверть периода. Камера переменного давления (фиг. 2) выполнена в виде оптической кюветы, ширина которой меняется, например, ступенчато по высоте (если интерферометр расположен горизонтально). Она содержит корпус 20 с оптическими окнами 21. При этом минимальная ширина одного из отсеков 22 камеры 13 не превышает 2-5 мм и на несколько порядков меньше ширины других отсеков. Пневмопроводом 23 камера 13 соединена через распределительный кран 24 с пневмоаккумулятором 25 (газовый баллон), образцовым манометром 26 и электромагнитным дистанционным устройством 14, состоящим из клапана 27, электромагнита 28 и концевого выключателя 29. Регистрирующая аппаратура (фиг. 3) содержит импульсное сравнивающее устройство 30, имеющее два входа 31 и 32, четыре выхода 33 - 36 и два канала преобразования (канал А и канал Б), блок 37 управления, имеющий три входа 38 - 40 и один выход 41, блок 42 измерения, имеющий три входа 43 - 45. Блок 37 управления и блок 42; измерения образуют измеритель пеиода следования нулевых уровней фототока.

Импульсное сравнивающее устройство выполнено в виде формирователя 46 импульсов, вход которого соединен с первым входом преобразователя 30 (по каналу А), а выход соединен с входом дифференцирующейщепочки 47 выход которой в свою очередь соединен с входами импульсного ограничителя 48 и инвертирующего ограничителя 49. Выход импульсного ограничителя 48 соединен с одиночным входом тригrepct 50, а выход инвертирующего ограничителя 49 - с нулевым входом триггера 50 и с первым входом схемы 51 совпадения и с выходом 33 двухканального функционального преобразователя 30.

Кроме того, схема содержит ограничитель 52 уровня, вход которого соединен с вторым входом преобразователя 30 (по каналу Б). Выход ограничителя 52 уровня соединен с входом формирователя 53 импульсов, выход коfroporo соединен с первым входом схе4иы 54 совпадения, второй вход которой соединен с выходом триггера 50

и с выходом 34 преобразователя 30. Выход схемы 54 совпадения соединен с входом триггера 55, нулевой выход которого соединен с выходом 35 преобразователя 30, а единичный - с вторым входом 51 совпадения, выход которой соединен с выходом 36 прео бр аз ов ат ел я 30.

Блок 37 управления выполнен в виде генератора 56, соединенного с первым входом схемы 57 совпадения, второй вход которой соединен с выходом триггера 58. Нулевой вход триггера 58 соединен с выходом схемы 59 сов.падения, входы которой соединены с входами 38 и 39 блока 37 управления. Единичный вход триггера 58 соединен с входом 40 блока 37 управления.

Блок 42 измерения выполнен в виде схемы 60 совпадения/ входы которой соединены с входами 43 и 45 блока 42 измерения и с входом реверсивного счетчика 61 импульсов. Выход схемы 60 совпадения соединен с первым входом реверсивного счетчика 62, второй вход которого соединен с выходом 44 блока 42. Выходы реверсивных счетчиков 61 и 62 соединен соответственно с цифровыми табло 63 и 64.

Выходы 33-36 двухканального функционсшьного преобразователя 30 соответственно соединены с входами 38, 43, 49 и 44 блока 37 управления

.и блока 42 измерения. Входи 31 и 32 блока 30 соответственно соединены через усилители i не показаны) с выхода ми фотоприемников 19 и 11 (фиг. 1).

Вход 40 блока 37 управления соединен с электрическим входом электромагнитного дистанционного клапана 14 (фиг. 1, 2), т.е. с концевым выклчателем 29 (фиг. 2).

Устройство для динамической градуировки преобразователей давления работает следующим образом.

. Включается задатчик 14 переменного давления, выбирается необходимая частота и амплитуда упругих колебаний 65 (фиг. 4 К Включается измеритель 15-19 частоты и образцовый измеритель 7-11 амплитуды упругих колебаний. При этом сигнал с выхода фотоприемника 11 несет информацию об амплитуде колебаний в относительных единицах, с выхода фотоприемника 19 - частоте.

Поскольку вращающийся диск 5 (фиг. 1) вызывает одновременно периодические пульсации давления в камере 1 и пульсации света в интерферометре 7 - 11, то тем caNJbiM за.дается стробоскопический режим работы интерферометра с интервалом времени рабочих импульсов . 4б1 , равным четверти периода упругих колебаний и периодом их следования,

равным периоду упругих колебаний 65. Фазовый сдвиг импульсов 66 относительно синусоиды 65 задается соответствующим расположением профилированного сопла и опорного луча света относительно прорезей диска 5. Он может быть задан любым, но в данном для упрощения дальнейшей обработки информации устройстве выбран таким, чтобы за период работы интерферометра величина давления изменялась от 1,4 до 0,3 амплитудного значения колебаний.

Для определения амплитуды давления в абсолютных единицах с помощью концевого выключателя 29 (фиг. 2) электромагнитного дистанционного клапана 14 кнопкой Пуск включается компенсатор упругих колебаний и регистрирующая аппара,тура (фиг. 3 ).

В камере 13 компенсатора упругих

колебаний после его включения происходит монотонное изменение давления от Р до Р, например, по закону 67, представленном на фиг. 4в). В определенный момент времени происходит

компенсация изменений показателя

преломления в рабочем плече интерферометра; за счет упругих колебаний соответствующим изменением показателя преломления в опорном плече интерферометра, происходящего за счет монотонного изменения давления в рабочей камере 13. В этот момент 68 (фиг.4г) на выходе фотоприемника 11 наблюдается отсутствие фототока. Для определения величины компенсирующего давления определяется момент времени 68 с помощью электронной схемы, представленной на фиг. 3. Этому моменту времени соответствует вполне конкретное давление в камере 13.

Предварительно перед началом экспериментов осуществляются операции с компенсатором 13 упругих колебаний (фиг. 2), расположенным на координатном столике ( не показан. Перемещают компенсатор 13 в положение, при котором на оптической оси находится отсек 22 с минимальной шириной. Ширина этой части кюветы задается из условия получения такого смещения интер.ферационных полос за счет изменения статического давления 67 (фиг.4в) в кювете, чтобы оно не выходило за пределы линейного участка преобразовательной кривой интерферометра (5), т.е. чтобы выполнялось соотношение л Л f n --O где-Дп величина изменения показателя преломления при изменении статического давления, например, от Р до Рдтм Затем открывают распределительный кран ,24 и запускают в камеру 13 через пневмопривод 23 из пневмоаккумулятора 25 газ. Давление в камере 13 повышается до значения Р, измеряемого образцовым манометром 26, распределительный кр при этом ставят в другое положение. Нажимают кнопку Пуск, при этом срабатывает электромагнитный клапан 14, и газ из камеры 13 выходит атмосферу. При этом статическое давление в камере 13 меняется по строг определенному временному закону 67 (фиг. 6), который в виду аналогичного преобразования записывается на самописце, подсоединенном в этом случае через усилитель к фотоприемнику 11 (фиг. 1) при включенной рабочей регистрирующей аппаратуре (фиг. 3).

при работе устройства камеру 13 передвигают в зависимости от амплитды и частоты пульсаций давления в одно из рабочих положений, при котором возможна в определенный момент времени компенсация пульсаций показателя преломления за счет переменного давления изменениегл-показателя преломления за счет изменения статического давления.

Изменение ширины камеры в направлении оси интерферометра удается увеличить диапазон пульсаций, которые могут быть скомпенсированы одним и тем же компенсатором.

Несмотря на то что закон изменения статического давления, а значит и показатель преломления в компенсаторе 13, постоянный, закон изменения оптического пути f й1) меняется в зависимости от ширины кюветы в направлении луча i , t, (фиг. б).

Задачей регистрирующей аппаратуры.Сфиг. 3), является определение ммента времени, при котором происходит компенсация сигналов в о.боих плечах интерферометра, т.е. когда ток, снимаемый с фотоприемника 11, равен нулю.

Схема работает следующим образом. При поступлении в электромагнитный клапан 14 (фиг. 1, 2) сигнала Пуск триггер 58 устанавливается в положение 1, что вызывает появление на его единичном выходе сигнала, разрешающего поступление импульсов с генератора 56 на вход блока 42 измерения.

По мере поступления токовых импульсов на вход А (фиг. 3) двухкана-льного функционального-преобразователя 30 с фотоприемника 19 (фиг. 1) формирователь 46 формирует импульсы с крутыми фронтами, которые затем дифференцируются цепочкой 47 и через ограничитель 48 и инвертор-ограничитель 49 поступают на единичный и нулевой входы триггера 50.

На вход Б преобразователя 30 поступают импульсы с фотоприемника

11 характеризующие степень совпадения изменений двух процессов в ветвях интерферометра. В случае, когда эти .импульсы присутствуют на входе 32 преобразователя 30, они

проходят через ограничитель 52 уровня и формирователь 58 и поступают на схему 54 совпадения, соединенную с выходом триггера 50. При этом импульсы с выхода схемы 54 устанавливают триггер 55 в положение 1, при котором схема 51 открыта для прохождения импульсов с ограничителя 49, а схема 59 закрыта для прохождения этих импульсов. Сформированные импульсы поступают из ограничителя 49 через схему 51 на вход счетчика 62 и приводят его.в нулевое состояние.

Когда на входе Б импуль.сы отсутствуют, то триггер 55 находится в ну.левом положении, при котором импульсы с инвертора ограничителя 49 не могут пройти через схему 51, а проходят через схему 59 на нуле.вой вход триггера 58, устанавливая его в нулевое положение, закрывая

прохождение импульсов с генератора 5 импульсов на счетчики 61 и 62.

Таким образом, на цифровом табло 63 и 64 регистрируются два числа: первое соответствует длительности С, а второе - времени .4г)..

Путем сравнения показаний образцового и рабочего преобразователей на различных частотах обычным способом осуществляют динамическую градуировку.

Применение предлагаемого устройства позволяет существенно повысить точность динамической градуировки преобразователей давлений за счет измерения амплитуды переменного давления в абсолютных единицах путем привязки образцовой аппаратуры к эталону статического давления. При этом к имеющимся достоинствам оптической образцовой аппаратуры, таким как бесконтактность измерений, высокое пространственное разре шение, безынерционность, добавляется такое важное достоинство как абсолютность измерений переменного давления, что ставит метрологические исследования в области переменн го давления на новую качественную основу. Формула изобретения 1, Стенд для динамической градуировки преобразователей давления оп тическими средствами, содержащий за датчик упругих колебаний, выполненный преимущественно в виде резонанс ной трубы переменной длины с профилированным соплом, диск с прорезями, установленный с возможностью вращения напротив сопла, образцовый преобразователь, выполненный в виде двухлучевого интерферометра, состоящего из опти-чески связанных лазера, светоделителя, двух светоотражателей, первого фотоприемника компенсатора пульсаций показателя преломления, расположенного в опорн плече интерферометра, датчик частоты пульсаций, выполненный в виде оп тически связанных источника коллими рованного света и диафрагмы, совпадающей по форме с профилированным соплом резонансной трубы, и второго фотоприемника, расположенных по различные стороны диска, и регистрирующую аппаратуру, отличающийс я тем,что,с целью повьниения точности градуировки, в него введены последовательно соединенные и подключенные к выходам первого и второго фотоприемников импульсное сравнивающее устройство и измеритель периода следо- вания нулевых уровней фототока, подключенный к входу регистрирующей аппаратуры, а компенсатор пульсаций, выполнен в виде камеры переменного давления, прозрачной в направлении оптической оси, соединенной через введенный в стенд распределительный кран с пневмоаккумулятором, образцовым манометром и электромагнитным дистанционным клапаном, электричес- кий вход которого соединен с пусковым входом измерителя периода следования нулевых уровней фототока. 2. Стенд по п.1, отличающий с я тем, что камера переменного давления выполнена в виде оптической кюветы переменной ширины с возможностью перемещения в направлении, ортогональном оптической оси. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР №679841, кл. G OIL 27/00, 1979. 2.Авторское свидетельство СССР 711760, кл. G 01 L 27/00, 1980 {прототип).

)

/Avf

Mr /Л .

ЯамыЛ

П 16

п

J7

4Z

I

I

:-

i-

w

LЗВ

59

.Л

J

.J5

ji

f -j

&

JJ

i

L.

1Г

Нш/алА

/

f

Нанал Б

т