Ультразвуковой маятниковый угломер

 

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и служит для измерения угловых перемещений технических объектов. Целью изобретения является повышение точности. Указанная цель достигаЦ 5 ется тем, что в ультразвуковом маятниковом угломере, содержащем корпус 1, подвешенный на опорах маятник 4, пьезоэлементы 7, генератор электрических колебаний 8, измерительный блок 9, соединенный с пьеэоэлеметами по дифференциальной схеме. Маятник выполнен в виде свободно качающегося коромысла, содержащего два вертикальных симметричных относительно оси качания канала 6, образующие акустические волноводы. В нижних торцах последних расположены приемо-излучающие пьезозлементы, а корпус разделен вертикальной непроницаемой перегородкой 2 на две равные емкости, частично заполненные жидкостью 3 и гидравлически сообщающиеся с волноводами. 1 ил. сл о Ч) ю W

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУбЛИК (м)з G 01 С 9/20

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ волноводами. 1 ил. б (21) 4744769/10 (22) 02.10,89 (46) 23.09.91. Бюл.№35 (71) Обнинский институт атомной энергетиКИ (72) П.Н.Ермолаев и С.А.Виноградов (53) 534.232 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 551515, кл. G 01 F 23/28, 06.01.76. (54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МАЯТНИКОВЫЙ

УГЛОМ ЕР (57) Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и служит для измерения угловых перемещений технических объектов. Целью изобретения является повышение точности. Указанная цель достига.Я2 1679193 А1 ется тем, что в ультразвуковом маятниковом угломере, содержащем корпус 1, подвешенный на опорах маятник 4, пьезоэлементы 7, генератор электрических колебаний 8, измерительный блок 9, соединенный с пьезозлеметами по дифференциальной схеме.

Маятник выполнен в виде свободно качающегося коромысла, содержащего два вертикальных симметричных относительно оси качания канала 6, образующие акустические волноводы. В нижних торцах последних расположены приемо-излучающие пьезоэлементы, а корпус разделен вертикальной непроницаемой перегородкой 2 на две равные емкости, частично заполненные жидкостью 3 и гидравлически сообщающиеся с

1679193

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике, а именно к устройствам для измерения угла наклона объектов по отношению к вертикали или любому исходному положению, и может быть использовано в машиностроении, энергетике, геологии, строительстве, а также в научных экспериментах.

Целью изобретения является повышение точности, На чертеже представлено устройство, общий вид, Устройство. содержит корпус 1, разделенный непроницаемой перегородкой 2 на две равные емкости, частично заполненные жидкостью 3, маятник 4, свободно качающийся на призматических опорах 5 в плоскости чертежа. Внутри маятника имеются два вертикальных канала образующих акустические волноводы 6, симметричные относительно плоскости симметрии корпуса (оси качения маятника), в нижних торцах этих каналов помещены пьезоэлементы 7, электрически соединенные по дифференциальной схеме с генератором 8 и измерительным блоком 9. Каждый волновод 6 при помощи перепускных каналов 10 гидравлически сообщается с соответствующей емкостью в корпусе и образует с ней сооб. щающийся сосуд. Между маятником и корпусом предусмотрен минимальный зазор 11 порядка нескольких десятых долей мм. Величина этого зазора должна быть достаточной для устранения касания маятника с корпусом. Кроме того, при малом зазоре улучшаются демпферные свойства маятника.

Устройство работает следующим образом.

Роль гравитационно-чувствительного элемента выполняет маятник 4. В исходном состоянии маятник занимает симметричное положение относительно корпуса 1, Уровень жидкости h при этом соответствует линии АВС0. Этот уровень является одинаковым также и для обоих волноводов 6.

При наклоне корпуса 1 на угол Ау (новое положение корпуса показано пунктир.ом) гидростатическое равновесие нарушается, При этом объем жидкости в свободном пространстве между маятником и перегородкой 2 в левой емкости уменьшается, а в правой — увеличивается. Положение маятника при этом относительно вертикали остается практически неизменным, так как выталкивающая сила жидкости незначительна из-за разности плотности жидкости и маятника, изготовленного из тяжелого металла (например, стали). В результате этого происходит вытеснение жидкости из левой емкости в вол новод 6 и пространство, образованное зазором 11, при этом уровень жидкости поднимается на величину+ Л и.

В правой емкости происходит обратный

5 процесс и уровень жидкости понижается на величину - Л h, а разность уровней составляет2 Л h.

Изменение уровня относительно исходного положения происходит на основе зако10 нов гидростатики: объем вытесненной жидкости равен объему погруженной части тела (маятника), а выталкивающая сила раена весу вытесненной жидкости.

Исходя из указанных законов, можно

15 составить следующие соотношения:

Л Че = Л Нп (1) где Л Чв — объем вытесненной жидкости;

ЛЧп — объем погруженной части ма20 ятника, Равенство (1) позволяет получить выражение (2) Лh=(Х si+ $88)= Л HM M$,(2)

25 где Л и — приращение высоты уровня жидкОсти в емкости и волноводах при наклоне корпуса;

® ; si — суммарная площадь зазоров между маятником и корпусом;

$ — площадь горизонтального сечения волновода;

Л HM- приведенное линейное перемещение маятника относительного корпуса;

SM — средняя площадь горизонтального сечения погруженной части маятника.

Из выражения (2) следует

40 Л h - ЛНУ вЂ” h HM Ks, (3)

SM

, +Яь где l4 — коэффициент соотношения площадей.

На практике имеет место К > 1 (K> =

10„,20), поэтому малое перемещение маятника h,HM вызывает большое (К вЂ” раз) изменение уровня жидкости Л h в волноводах, что повышает чувствительность угломера, Приведенное линейное перемещение маятника Л HM может быть представлено через средний радиус маятника Rcp и угловое перемещение маятника Лу в следующем виде:

55 Л 1 R P (4)

С учетом равенства (4) выражение (3) приобретает следующий вид;

Л h-=R p h,y 14. (5)

Из выражения (5) можно определить чувствительность угломера G:

1679193

ЬЬ з

G= -д — =Rcp-Кв=Rc (6)

) +

С учетоц дифференциальной схемы включения двух волноводов имеем окончательно. (7) G =2Rcp

Составитель Ю.Бессонов

Техред М.Моргентал Корректор С. Шевкун

Редактор M.ßíêoBè÷

Заказ 3200 Тираж 298 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Ь

Из выражения (6) следует важный вывод: для повышения чувствительности, следовательно, и точности угломера, необходимо выбрать максимально возможное значение коэффициента соотношения площадей Кз. На практике вел чина среднего радиуса маятника Rcp ограничена допустимыми габаритными размерами угломера, поэтому параметром, варьируемым в широком интервале, является параметр К . Для выбора большого значения этого параметра согласно выражению (3) необходимо вы брать большое соотношение площади SM no отношению к суммарной площади сеченйя всех sa3opos и площади волновода. На 25 практике это соотношение можно выбрать в пределах 10 — 20.

Разность уровней 2 Ah, возникающая в волноводах 6, фиксируется при помощи ультразвуковых импульсов, излучаемых пьезо- 30 элементами 7, при этом импульсы отражаются границей раздела жидкость— воздух и возвращаются по волноводам 6 к. пьезоэлементам, При этом разность времени возвращения импульсов пропор- 35 циональна разности уровней 2 Л h. Эта разность регистрируется измерительным блоком 9.

Устройство имеет следующие преиму- 40 щества.

Применение явления гидротрансформации значительно увеличивает чувствительность устройства к изменению угла наклона и повышает точность его измере- 45 ния.

Способность маятника сохранять свое неизменное положение (выталкивающей силой жидкости можно пренебречь) позволяет получить перпендикулярную к оси волновода отражающую границу жидкость— воздух, что обеспечивает стабильный высокий коэффициент отражения ультразвука и повышает точность измерения.

Применение призматической опоры маятника уменьшает коэффициент трения и уменьшает зону нечувствительности устройства.

Помещение маятника в корпус с узкими зазорами между маятником и корпусом позволяет получить хорошие демпферные свойства и динамическую стабильность устройства.

Устройство предельно простое по конструкции и технологично в изготовлении и надежно в эксплуатации.

Формула изобретения

Ультразвуковой маятниковый угломер, содержащий корпус, полость которого частично заполнена жидкостью, два пьезоэлемента, размещенные в плоскости измерения,ниже уровня жидкости и симметрично относительно плоскости симметрии корпуса, и измерительный блок, соединенный по дифференциальной схеме с пьезоэлементами, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, он снабжен вертикальной непроницаемой перегородкой, установленной в плоскости симметрии корпуса, и маятником, выполненным в виде коромысла с двумя симметричными грузами, в каждом из которых выполнен вертикальный канал, сообщающийся по жидкости с полостью корпуса, а пьезоэлементы установлены в нижних торцах соответствующих вертикальных каналов, при этом внутренняя поверхность полости и наружная поверхность грузов расположены с зазором относительно друг друга и в плоскости измерений выполнены по дугам окружностей с центрами, совпадающими с точкой подвеса маятника,