Устройство для измерения линейных размеров

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и служит для измерения линейных размеров и перемещений. Техническим результатом является повышение точности и расширение диапазона измерения. Он достигается тем, что предлагаемое устройство для измерения линейных размеров, содержащее измерительное приспособление, выполненное в виде трубки, заполненной жидкостью и гидравлически соединенного с ним щупа, взаимодействующего в процессе измерения с объектом и содержащего сильфон, снабжено дополнительным сильфоном, установленным в щупе соосно основному сильфону и образующим с ним герметичную упругую камеру, заполненную жидкостью. На щупе имеются контактные наконечники для механического контакта с объектом измерения. Устройство может работать в двух режимах: в режиме повышенной точности в узком диапазоне и в режиме обычной точности в широком диапазоне измерений. В работе устройства использованы ультразвуковые колебания, импульсный генератор и регистратор отраженных сигналов. 1 ил.

Устройство относится к области контрольно-измерительной техники, в частности к устройствам для измерения линейных величин, линейных перемещений и высоты уровня жидкости.

Устройство может быть использовано в атомной энергетике, в машиностроении, в горном деле, геологии, строительстве.

Известно устройство (прототип) для измерения линейных размеров, содержащее измерительное приспособление, выполненное в виде трубки, заполненной жидкостью и гидравлически соединенного с ним щупа, взаимодействующего в процессе измерения с объектом и содержащего сильфон [1] Недостатком известного устройства является ограниченная функциональная возможность и недостаточная точность измерения.

Техническим результатом устройства является повышение точности измерения и расширение диапазона измерений.

Он достигается тем, что предложенное устройство для измерения линейных размеров, содержащее измерительное приспособление, выполненное в виде трубки, заполненной жидкостью и гидравлически соединенного с ним щупа, взаимодействующего в процессе измерения с объектом и содержащего сильфон, снабжено дополнительным сильфоном, установленным в щупе соосно основному сильфону и образующему с ним герметичную упругую камеру, заполненную жидкостью, контактными наконечниками, установленными с наружной стороны камеры на ее торцевых поверхностях, двумя пьезопреобразователями и отражателем, первых и которых установлен в зоне соединения камеры и трубки, другой пьезопреобразователь и отражатель закреплены соосно между собой и наконечником с внутренней стороны камеры на торцевых ее поверхностях, и связанными с пьезопреобразователями через переключатель импульсным генератором и регистратором отраженных сигналов, трубка измерительного приспособления установлена перпендикулярно продольной оси камеры в ее центральной части, а диметры сильфонов и трубки выбраны из соотношения: G где G чувствительность устройства; с скорость ультразвука в жидкости; D_c диаметр сильфона; d_т диаметр трубки.

Соответствие критерию "положительный эффект" достигается повышением точности и расширением диапазона измерения.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленное устройство для измерения линейных размеров отличается тем, что оно снабжено дополнительным сильфоном, установленным в щупе соосно основному сильфону и образующим с ним герметичную упругую камеру, заполненную жидкостью, контактными наконечниками, установленными с наружной стороны камеры на ее торцевых поверхностях, двумя пьезопреобразователями и отражателем, первый из которых установлен в зоне соединения камеры и трубки, другой пьезопреобразователь и отражатель закреплены соосно между собой и наконечником с внутренней стороны камеры на торцевых ее поверхностях, и связанными с пьезопреобразователями через переключатель импульсным генератором и регистратором отраженных сигналов, трубка измерительного приспособления установлена перпендикулярно продольной оси камеры в ее центральной части.

На чертеже представлен общий вид предложенного устройства.

Устройство содержит щуп, состоящий из упругой камеры 2, образованной соосно расположенными трубчатыми сильфонами 2 и 3, на торцах которых расположены контактные наконечники 4 и 5 для механического контакта с объектом измерения. Внутри камеры, заполненной жидкостью, на торцевой поверхности расположен пьезопреобразователь 6, а на противоположной поверхности расположен отражательный экран 7. Щуп гидравлически соединен с измерительным приспособлением, состоящим из трубки 8, расположенной перпендикулярно к оси камеры. На нижнем конце трубки установлен пьезопреобразователь 9, а верхний конец трубки соединен с воздушной камерой 10. Пьезопреобразователи соединены с импульсным генератором 11 и регистратором отраженных сигналов 12 через переключатель 13, имеющий два положения: А и Б.

Устройство работает следующим образом.

В зависимости от положения переключателя 13 устройство может работать в двух режимах. В положении А переключателя устройство работает в режиме повышенной чувствительности, но в узком диапазоне, в положении Б переключателя устройство работает в режиме обычной чувствительности, но в широком диапазоне измерения.

Работа в первом из указанных режимов происходит следующим образом. В исходном состоянии, когда измеряемый объект не воздействует на контактные пластины 4 и 5, расстояние между точками контакта этих пластин равного L_o, а высота уровня жидкости в трубке равна h_o. Импульсный генератор 11 и регистратор 12 при этом подключены к пьезопреобразователю 9. Под действием возбуждающих импульсов генератора пьезопреобразователь формирует ультразвуковые импульсы и посылает их вдоль столба жидкости в трубке 8. Эти импульсы от границы раздела "жидкость воздух- возвращаются обратно на пьезопреобразователь, возбуждая в нем вторичные электрические колебания. Время прихода отраженных импульсов регистрируется в регистратора 12. Время полного хода прямого и отраженного импульсов t_o равно t_o= , (1) где h_o исходная высота уровня жидкости в трубке, с скорость ультразвука в жидкости.

Время t_o принимается за условный нуль при измерении линейных величин.

При контакте измерителя с реальным объектом расстояние между точками контакта наконечником 4 и 5 уменьшается до величины, при этом часть жидкости из камеры 1 вытесняется в трубку 8 и высота уровня повышается до h₁. При этом время полного хода ультразвуковых импульсов равно t₁= (2) Измеряемая линейная величина определяется согласно равенству
L₁ K_A(t₁ t_o) (3) где К_А конструктивная постоянная, выполняющая роль масштабного коэффициента.

Чувствительность измерителя G_A в этом режиме определяется из соотношения
G_A=
(4)
На основании свойства несжимаемости жидкости объем жидкости, вытесняемой из камеры 1, равен объему жидкости, поступающей в трубку 8, поэтому имеет место соотношение:
(5) где D_c средний диаметр сильфона,
d_т диаметр трубки.

С учетом выражения (5) окончательное выражение чувствительности измерителя получает вид
G_A= = K+ (6) где К_т коэффициент трансформации.

Практически значение коэффициента К_т лежит в пределах 10-100, следовательно, чувствительность измерителя повышается пропорционально этому коэффициенту. При этом во столько же раз уменьшается диапазон измерителя L_m
L_m= (7) где Т_m предел измерения регистратора.

Данный режим используется для высокоточного измерения величин, изменяющихся в узком диапазоне, так как при высокой чувствительности возрастает разрешающая способность и точность измерителя.

Во втором из указанных режимов устройство работает следующим образом. Переключатель 13 ставится в положение Б, при этом вместо пьезопреобразователя 9 в измерительную схему включается преобразователь 6, а роль отражателя выполняет отражательный экран 7. При изменении измеряемой величины измеряется расстояние между излучателем-приемником и экраном. Измеряемая величина при этом определяется согласно равенству
L K_Б(t₁' t_o') (8) где К_Б конструктивная постоянная устройства в режиме Б,
t_o', t₁' время полного хода ультразвукового импульса в исходном и рабочем состоянии.

Чувствительность измерителя в этом режиме в К_Т-раз меньше, чем в первом режиме, так как трубка 8 в измерении не участвует.

Исходя из равенства (7), диапазон измерения в этом режиме расширяется в К_Т -раз.

Данный режим используется для измерения величин, изменяющихся в широком диапазоне. В этом режиме трубка 8 заполняется полностью и избыток жидкости собирается в камере 10.

Для получения требуемого значения чувствительности устройство снабжается набором трубок 8 разного диаметра, а для согласования исходной величины L_o с начальным значением измеряемой линейной величины устройство снабжается набором сменных контактных наконечников различных размеров и форм, например в виде удлинителей, и штоков с калиброванными параметрами.

Преимуществами предложенного измерителя являются:
возможность работы в различных диапазонах измерения с требуемой чувствительностью и точностью измерения;
конструктивная простота и технологичность изготовления;
возможность работы в средах с высокой реакцией;
возможность применения в автоматизированных дистанционных системах контроля в качестве датчика.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ РАЗМЕРОВ, содержащее измерительное приспособление, выполненное в виде трубки, заполненной жидкостью, и гидравлически соединенного с ним щупа, взаимодействующего в процессе измерения с объектом и содержащего сильфон, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным сильфоном, установленным в щупе соосно с основным сильфоном и образующим с ним герметичную упругую камеру, заполненную жидкостью, контактными наконечниками с наружной стороны камеры на ее торцевых поверхностях, двумя пьезопреобразователями и отражатель, первый из которых установлен в зоне соединения камеры и трубки, другой пьезопреобразователь и отражатель закреплены соосно между собой и наконечником с внутренней стороны камеры на торцевых ее поверхностях, и связанными с пьезопреобразователями через переключатель импульсным генератором и регистратором отраженных сигналов, трубка измерительного приспособления установлена перпендикулярно продольной оси камеры в ее центральной части, а диаметры D_с и d_т соответственно сильфонов и трубки выбраны из соотношения

где G чувствительность устройства;
c скорость ультразвука в жидкости.

РИСУНКИ

Рисунок 1