Устройство для измерений линейных перемещений

 

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 приемоизлучающими преобразователями 4 и 7, поочередно подключаемыми электронным коммутатором 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ сОциАлистических

РЕСПУБЛИК (39) (I l) (5I)s 6 01 В 17/00

ГОСУДАРСТВЕН(ЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССРОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

2 (21)4815646/28 ., быть использовано для контроля, измере(22) 17.04;90 ния и регистрации линейных перемещений (46) 23.04.92.БюлЛФ 15 .. подвижных обьектов или механизмов с of(71). Донецкий государственный универси- раниченным участком перемещения, напритет ...::. мер, глубоководных манипуляторов или

{72) С.П.Клопенко...: штоков гидроцилиндров. Цель изобретения (53) 620.179.16(088.8): . — повышение точности эа счет компенсации (56) Патент США М 4769793, кл. G 01 S 9/66, погрешностей, вносимых воздействием

1988.. внешних факторов. Используя один и тот же

Авторское свидетельство СССР М отражатель, 10, отражающий ультраэвуко1654676, кл. G 01 8 17/00; 1989, . вые импульсы, излучаемые приемоиэлучаюСеравин Г.H.Èçìåðåíèe скорости звука: щими преобразователями 4 Ie 7, поочередно в океане.--М.: Гидрометеоиздат, 1979, с;136. подключаемыми электронным коммутато ром 3 к электронному блоку 2 и отстоящими (54) устРойстВО ДЛя ИЗМЕ ЕНий ЛИ-- . на разном расстоянии от отражателя 10, поНЕйНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ .: зволяет исключить временные паразитные (57) Изобретение относится к измеритель- задержки, приводящие к.погрешности изной и экспериментальной технике и. может мерений расстояния до объекта 12. 1 ил.

Изобретение относится к измеритель- определения текущего значения скорости ной и экспериментальной технике и может:. звука в жидкости. «4 быть использовано для контроля, измере- Недостатком известного преобразова-,. ) ния и регистрации линейных перемещений- : теля является погрешность, вносимая воз- Щ подвижных объектов или механизмов с ог-.,: действием температуры и давления на О раниченным участком перемещения. напри- дополнительную акустическую базу;, огра- (у мер, глубоководных манипуляторов или: ниченную двумядополнительными отражаштоков гидроцилиндров..ющими плоскостями, .а .также сложность электронного блока из-за необходимости

Известен: преобразователь линейных, точного измерения малых интервалов вреперемещений,содержащийобъект,отража- мени, за которые зондирующий импульс ющий зондирующий ультразвуковой им- пробегает расстояние между дополнительпульс, электронный блок, измеряющий ными отражающими плоскостями. .время пробега зондирующего импульса д(). Наиболее близким по технической сущобъекта.и обратно, две дополнительные от- - ности к изобретению является измеритель ражающие плоскости, дополнительный . скорости звука, содержащий цилиндричеэлектронный блок, измеряющий время îðî- ский корпус, размещенный в торце корпуса бега дополнительного зондирующего им- . протектор, прилегающий к внутренней попульса между ими, необходимое для верхности протектора приемно-излучаю IT28657 щий электроакустический преобразователь, электронный блок, электрически связанный с обратимым электроакустическим преобразователем. отражатель, соосно противолежащий протектору, термобарокомпенсатор изменяемой акустической базы.

Недостатком moro 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 приемоизлучающий электроакустический преобразователь, размещенный в корпусе электронный блок и отражатель; соосно противолежащий торцовой поверхности корпуса, снабжено вторым протектором, прилегающим к внутренней поверхности второго протектора вторым приемоизлучающим 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 протекто5 ром 8. Так как расстояние от преобразователя 7 до отражателя 10; закрепленного соединителем 11 с перемещаемым объектом 12 равно Н1, и частота циркуляции ультразвуковых импульсов f>. После того, как

10 коммутатором 3 будет отсчитано необходимое для измерения частоты следования количество импульсов, он переключит электронный блок 2 на приемоизлучающий электроакустический преобразователь 4, 15 размещенный на расстоянии Н2 от отражателя 10. В этом случае, при неизменном положении отражателя 10, частота циркуляции ультразвуковых импульсов будет fz, При работе с одним приемоизлучаю20 щим электроакустическим преобразователем точность зависит от величин погрешностей, вносимых воздействием температуры и давления — ЬСтр; наличием протектора Л Сп; паразитным временем за25 держки в электронных цепях Л Сэ, Исполь-, зуя один и тот же отражатель 10, отражающий ультразвуковые импульсы, излучаемые попеременно преобразователям

4 и 7, отстоящими на разном расстоянии от

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

Время одного периода для каждого пре35 образователя суммируется из следующих составляющих;

Н!

Тп т т,р+ гв+ э+ —;с где Т вЂ” время периода, с;

40 гт,р — задержка, вносимая дестабилизирующим воздействием температуры и давления .на величину акустического пути ультразвукового импульса, с; г я — задержка, вносимая протектором, 45 с; хз — задержка в электронных цепях, с;

H — величина акустического пути ультразвукового импульса. м; с — скорость распространения ультра50 звукового импульса, м/с.

Тогда разность периодов первого и второго приемоизлучающих электроакустических преобразователей будет представлять

AT@ = Ьтт,р + Жд + Жэ +, с, ЬН .t и задержки,. вносимые протектором, при равной их толщине, компенсируются полностью, а, с учетом теплового и .барического

1728657 изменения величины пути ультразвукового импульса в жидкости и небольшого изменения Величины паразитной задержки в ЭлЕктронных цепях при изменении частоты следования ультразвуковых импульсов ско- 5 рость звука в жидкости равна с =hH(1+M т! 2,м/с

2 — 1 — 1 2 . где Ь Н Н1-Н2 — разность длин акустических баэ, м; 10

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

Расстояние от протектора до отражате- 15 ля теперь определяется из выражения:

L= .м, с без поправочных коэффициентов, так как " погрешности компенсируются при условии 20 и неизменности разности длин акустиче-. ских баэ Но, что обеспечивается примене.нием материалов герметичных опор с такими величинами температурных коэффициентов линейного расширения а1 и Q2, 25 такими величинами модуля Юнга Е1 и Е2 а1 Е2 соответственно; что — = —, что вытекает, Q2 Е1 для температурных приращений, например; иэ равенства выражений hl1= hl2= 30

=11ЩЬ t= 12 Щ Ж, ОткуДВ

11 а2 а для барических приращений соответственно

l1 Е1 а1 Е2 — = —, а совместно — = —.

l2 Е2 Щ Е1

Таким образом, при проведении изме- . рений 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 резуль-. 4,. таты измерений протектора. В случае прецизионных измерений, где необходимо учесть приращение длины перемещаемого объекта относительно плоскости торца измерителя, вовнутрь объекта устанавливается компенсатор с перестраивеемым, отношением длин плеч под воздействием температуры и давления, а на компенсатор устанавливается отражатель.

Например, В случае разности Высот Но 55 герметичных опор, равной 0,03 м и среде, В которой работает измеритель — в морской воде, погрешности, вносимые воздействием температуры и давления ЬСт,р «3 10 з м/с, вносимые протектором, влияние которого заключается в изменении его толщины при воздействии максимально достижимого по условиям технического задания температурного градиента: п= и Q смаке ° где Ьп — приращение толщины протектора, м;

i> — толщина протектора, м;

c> — ТКЛР материала протектора, 1/град;

Л мзкс — максимальная величина температурного градиента, ОС.

Так как для морской воды в натурных условиях рабочий диапазон. температур находится в пределах 2-35ОС, то при толщине протектора 1 мм, А(макс- 37 СЛ!п=8 10 м, а погрешность 0 ë составляет примерно 10 2 м/с.

Влияние времени задержки в электронных цепях определяется по формуле о ° Сг=Р Н (1 „, }, м/с

-1 где F — частота выходного сигнала, Гц:

Н вЂ” длина пути пробега ультразвукового импульса, м;

r> — время задержки; мкс.

При типовой длине. пробега погрешность о т, вносимая временем задержки в электронных цепях, порядка 10 м/с. Поэтому условие компенсации погрешностей обязательно для точного функционирования устройства и осуществляется в случае идентичности материалов и трлщины протекторов, так и приемоиэлучающих электроакустических преобразователей, это. в случае приемоизлучающих электроакустических преобразователей, достигается применением пленочных льезоэлектриков или злектретов. 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 I2 выбирают материал — сталь нержавеющую

ЗОХ13 с ТКЛР а 2= 11-10 /град и модулем

Юнга Е2=210000 МПа,для герметичной опоры с высотой f1 — латунь ЛЖМц-59-1-1, с

ТКЛР п1 22 10 1/град, и модулем Юнга

Е1=106 000 Mila. Так как 1 & Е1 откуда следует, что воздействие температуры компенсируется полностью, а погрешность, вносимая . разбалансом необходимого отношения Е1/Е2 (по расчету необходимо значение Е1=t05 10 МПа, а фактическое значение — 106 10 МПа) соз ставляет 5 10 9 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 5 случае отклонения одного из значений в указанных пределах погрешность не превышает. 10" м/с, а так как обычно при работах на море максимальное значение температуры и давления не совпадают, то точность изме- 10 рений гарантируется.

Использование предлагаемого изобретения позволяет с высокой чувствительно-. стью измерять абсолютное перемещение объекта при упрощении конструкции и 15 уменьшении габаритов преобразователя, а также использовать одно и то же устройство для измерений перемещений различных обьектов путем простой установки устройства в посадочные гнезда, испольэовать од- 20 нопроводные линии связи, так как при частотном выходе возможно совмещение питания электронного блока устройства постоянным напряжением, что упрощает герметизацию электровводов, особенно для 25 больших глубин.

Формула изобретения

Устройство для измерений линейных перемещений, содержащее цилиндрический корпус, параллельный его торцовой поверхности первый протектор, прилегающий к внутренней поверхности протектора первый и риемоизлучающий электроакустический преобразователь, размещенный s корпусе электронный блок и отражатель, соосно противолежащий торцовой поверхности корпуса, о т л и ч à ю шийся тем, что, с целью повышения точности за счет компенсации погрешностей, вносимым воздей- ствием внешних факторов, оно снабжено вторым проектором, прилегающим к внутренней поверхности второго протектора, вторым приемоизлучающим 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.