Ультразвуковой датчик наклона

 

Использование: контрольно-измерительная техника. Сущность изобретения: ультразвуковой датчик наклона содержит заполненный жидкостью 2 цилиндрический корпус 1 с основанием, гравитационно-чувствительный элемент с поплавком 4, подвеской, отражатели ультразвуковых волн и ультразвуковые пьезопреобразователи 3, подключенные к генератору и соединенные по дифференциальной схеме с блоком обработки. Отражатель ультразвуковых волн выполнен в виде системы из 2 пар взаимно перпендикулярных пластин 7, расположенных на общем основании зеркально противоположно относительно друг друга и смещенных по вертикали на высоту пластин, при этом пьезопреобразователи 3 расположены так, что акустическая ось каждого из них проходит через центр соответствующей пластины отражателя под прямым углом к этой пластине. 3 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике /приборостроению/, а именно к устройствам для измерения угла наклона технических объектов по отношению к вертикали или любому заданному направлению.

Изобретение может быть использовано в атомной энергетике, в горном деле, геологии, машиностроении, строительстве, а также на экспериментальных установках, например, на ускорителях заряженных частиц.

Наиболее близким к изобретению является ультразвуковой измеритель наклона, содержащий заполненный жидкостью цилиндрический корпус с основанием, гравитационно-чувствительный элемент с подвеской и отражателем ультразвуковых волн и ультразвуковые пьезопреобразователи, подключенные к генератору и соединенные по дифференциальной схеме с бликом обработки /1/.

Недостатком указанного измерителя наклона является несовершенство отражателя, создающего недостаточную длину хода прямого и отраженного ультразвукового сигнала при ограниченных габаритах датчика, что вызывает частичную накладку прямого сигнала на отраженный и искажает форму сигнала, снижая точность измерения.

Другим недостатком является частичное рассеивание отраженного сигнала от сферической поверхности, что вызывает уменьшение уровня сигнала.

Технической задачей изобретения является повышение точности измерения.

Технический результат достигается тем, что в ультразвуковом датчике наклона, содержащем заполненный жидкостью цилиндрический корпус с основанием, гравитационно-чувствительный элемент с подвеской и отражателем ультразвуковых волн и ультразвуковые пьезопреобразователи, подключенные к генератору и соединенные по дифференциальной схеме с блоком обработки, отражатель ультразвуковых волн выполнен в виде системы из двух пар взаимно перпендикулярных вертикальных пластин, расположенных на общем основании зеркально противоположно относительно друг друга и смещенных по вертикали на высоту пластин, при этом пьезопреобразователи расположены так, что акустическая ось каждого из них проходит через центр соответствующей пластины отражателя под прямым углом к этой пластине, причем, выполняется следующее соотношение: где L расстояние между пьезопреобразователем и пластинами отражателя в исходном состоянии /измеряемый угол равен нулю/; С скорость ультразвука в жидкости, заполняющей корпус; коэффициент затухания ультразвука в жидкости: A_m1 начальная амплитуда прямого ультразвукового сигнала; A_m2 остаточная амплитуда того же сигнала к моменту прихода отражательного сигнала.

На фиг.1 представлен общий вид устройства; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 разрез Б-Б на фиг.1.

Устройство содержит корпус 1 (фиг.1) заполненный жидкостью 2, ультразвуковые пьезопреобразователи 3, маятник, состоящий из поплавка 4, соединенного с днищем 5 при помощи гибких нерастяжимых нитей 6.

На верхнем торце маятника 4 закреплен отражатель ультразвуковых волн, выполненный в виде системы из двух пар взаимно перпендикулярных вертикальных пластин 7, расположенных на общем основании 8 зеркально противоположно относительно друг друга /фиг. 2 и 3/. При этом эти пары пластин смещены по вертикали на высоту пластин /фиг.1/. Пьезопреобразователь 3 расположен по высоте на двух уровнях так, что акустическая ось каждого из них проходит через центр соответствующей пластины 7 перпендикулярно к поверхности этой пластины.

Для уменьшения колебания жидкости корпус снабжен демпферной решеткой 9, а для компенсации объемного расширения жидкости при повышении температуры в верхней части корпуса имеется воздушное пространство.

Конструкция ультразвукового датчика наклона позволяет значительно увеличить расстояние L между пьезопреобразователями 3 и пластинами 7 отражателя ультразвуковых волн. Это дает возможность практически полностью устранить накладку отраженного ультразвукового сигнала на остаточный прямой сигнал, тем самым исключается искажение формы отраженного сигнала и повышается точность измерения. Для этого расстояние между преобразователем и соответствующей пластиной отражателя выбирается из условия полного затухания первичных колебаний пьезопреобразователя к моменту прихода отраженного сигнала согласно выражению: (1) где L расстояние между пьезопреобразователем и пластиной отражателя в исходном состоянии датчика; С скорость ультразвука в жидкости;
коэффициент затухания ультразвуковых волн в жидкости;
A_m1 начальная амплитуда прямого ультразвукового сигнала;
A_m2 остаточная допустимая амплитуда прямого сигнала к моменту прихода отраженного сигнала.

Для конкретных практических значений величин С 1440 м/с, = 6,710⁴ с^-1, A_m1/A_m2= 100 получено согласно формуле /1/, значение указанного расстояния L, равное 50 мм, при этом искажение сигнала составляет не более 1%
Оценка эффективности описанной конструкции выполняется при помощи коэффициента использования рабочего пространства датчика согласно выражению:
К_L L/L_n /2/
где К_L коэффициент использования рабочего пространства датчика;
L расстояние между пьезопреобразователем и отражателем в предлагаемой конструкции,
L_n то же, расстояние для прототипа.

Из практики известно, что расстояние L составляет порядка 50-60 мм, а L_n составляет 30 мм, следовательно, значение К_L составляет 1,7.2. Отсюда видно, что в устройстве коэффициент использования рабочего пространства существенно выше. Экспериментально установлено, что полученный результат устраняет накладку сигналов друг на друга и их взаимное искажение.

Ультразвуковой датчик наклона работает следующим образом. Роль чувствительного элемента выполняет маятник 4. При наклоне датчика на угол , маятник сохраняет свое вертикальное положение под действием выталкивающей силы. В результате этого отражатель занимает несимметричное положение относительно оси датчика. Благодаря пространственной параллелограммной системе подвески 6 пластины 7 перемещаются поступательно и сохраняют условие перпендикулярности осей пьезоэлементов к поверхности пластин. Для обеспечения поступательного перемещения этих пластин исходный угол наклона нижней подвески 6 к оси датчика выбрали равным нулю, т.е. нити параллельны друг другу.

Несимметричное расположение поплавка 4 создает разность L₁ и L₂ от пьезоэлементов 3 до отраженных пластин 7 /фиг.1/. Эта разность является пропорциональной углу наклона v:
DL =L₂-L₁= 2l sin, /3/
где высота подвески 6.

Появление разности L вызывает разность времени t хода ультразвуковых волн:
/4/
где С скорость ультразвука в жидкости, заполняющей корпус датчика.

Разность t регистрируется обрабатывающей аппаратурой 10, а для возбуждения пьезоэлементов применяется генератор 11, соединенные с пьезоэлементами по известной дифференциальной схеме /1,2/.

Экспериментальные исследования датчика показали его работоспособность и хорошие метрологические качества.

Преимуществами датчика являются:
высокая точность измерения /1/;
высокий уровень отношения сигнал-шум;
простота и надежность конструкции;
технологичность изготовления.

Таким образом, описанный ультразвуковой датчик наклона имеет по сравнению с ближайшим аналогом существенно лучшие конструктивные, метрологические и эксплуатационные характеристики.

Использование описания датчика может значительно повысить эксплуатационно- технические показатели датчиков угловых величин, применяемых в устройствах дистанционного контроля пространственного положения элементов атомных реакторов АЭС, фокусирующих магнитов ускорителей заряженных частиц и других технических объектов.

Формула изобретения

Ультразвуковой датчик наклона, содержащий заполненный жидкостью цилиндрический корпус с основанием, гравитационно-чувствительный элемент с подвеской и отражателем ультразвуковых волн и ультразвуковые пьезопреобразователи, подключенные к генератору и соединенные по дифференциальной схеме с блоком обработки, отличающийся тем, что отражатель ультразвуковых волн выполнен в виде системы из двух пар взаимно перпендикулярных пластин, расположенных на общем основании зеркально противоположно одна другой и смещенных по вертикали на высоту пластин, при этом пьезопреобразователи расположены так, что акустическая ось каждого из них проходит через центр соответствующей пластины отражателя под прямым углом к этой пластине, причем выполняется следующее соотношение:
L (c/2)ln(Am1)/Am2),
где L расстояние между пьезопреобразователями и пластинами отражателя в исходном состоянии (измеряемый угол равен нулю);
с скорость ультразвука в жидкости, заполняющей корпус;
- коэффициент затухания ультразвука в жидкости;
A_m1 начальная амплитуда ультразвукового сигнала;
Am_m2 остаточная амплитуда того же сигнала к моменту прихода отраженного сигнала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3