Ультразвуковой двухкоординатный измеритель наклонов

 

Использование: измерительная техника. Сущность изобретения: измеритель наклона содержит корпус с четырьмя сообщающимися измерительными трубками, по две в каждой плоскости измерений, частично заполненный жидкостью, плавающие в трубах отражатели с направляющими, пьезоизлучатели, включенные по дифференциальной схеме, измерительный блок. Корпус снабжен дополнительной полостью над измерительными трубками, в которой размещен пустотелый тор с плоской центральной вставкой, перекрывающий поверхность жидкости с кольцевым зазором относительно стенок корпуса, который посредством жестких рычагов шарнирно связан с каждым из отражателей. Тор центрируется в корпусе посредством четырех стержней, расположенных в корпусе около геометрической оси и проходящих с зазором через соответствующие отверстия в плоской центральной вставке тора. Вертикальное перемещение тора ограничивается сверху регулированным винтом, а масса и объем тора выполнены из условия, чтобы при свободном плавании его центр масс совпадал с центром действия выталкивающей силы. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения углов наклонов различных объектов относительно вертикали в промышленности, строительстве, атомной энергетике.

Известны устройства для определения углов наклонов объектов от вертикали на принципе маятника [1] Недостатком известных устройств является их низкая точность по причине высокой динамической нестабильности маятника.

Наиболее близким к изобретению является ультразвуковой индикатор наклона на принципе уровня жидкости [2] Недостатком указанных устройств является низкая точность по причине сильного влияния поверхностных волн и внутренних флуктуаций жидкости, при вибрациях корпуса как на форму границы отражения ультразвука, так и на скорость ультразвука в жидкости, что приводит к разбалансу результатов дифференциальной схемы измерений.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

Цель достигается за счет того, что в измерителе наклона, включающем корпус, частично заполненный жидкостью, пьезоизлучатели, включенные по дифференциальной схеме, измерительный блок, корпус снабжен измерительными трубками над пьезоэлементами, над которыми размещен пустотелый тор с плоской центральной вставкой, перекрывающий поверхность жидкости с кольцевым зазором относительно стенок корпуса, который посредством жестких рычагов шарнирно связан с отражателями ультразвука, размещенными в измерительных трубках и выполненных в виде плоского экрана с направляющими, при этом тор центрируется в корпусе посредством четырех стержней, расположенных в корпусе около его геометрической оси и проходящих с зазором через соответствующие отверстия в плоской центральной вставке тора, вертикальное перемещение тока ограничивается сверху регулировочным винтом, а масса и объем тора выполнены из условия, чтобы при свободном плавании его центр масс совпадал с центром действия выталкивающей силы. Помимо этого, указанная цель достигается за счет того, что жидкость в корпусе сообщается только в полости над измерительными трубками, рычаги, связывающие тор с каждым из отражателей, выполнены в виде гибких нерастяжимых нитей, а отражатели снабжены утяжелителями.

На чертеже приведена схема устройтва.

Устройство содержит корпус 1 с измерительными трубками 2, 3, частично заполненный жидкостью 4, отражатели 5, 6 с направляющими 7, 8, пьезоизлучатели 9, 10, включенные по дифференциальной схеме, измерительный блок 11. Корпус имеет полость 12 над измерительными трубками 2, 3, в которой размещен пустотелый тор 13 с плоской центральной вставкой 14, перекрывающей поверхность жидкости 4 с кольцевым зазором 15 относительно стенок корпуса 1, который посредством жестких рычагов 16, 17 шарнирно связан с каждым из отражателей 5, 6, при этом тор 13 центрируется в корпусе 1 посредством стержней 18, расположенных в корпусе 1 около его геометрической оси 19 и проходящих с зазором через соответствующие отверстия 20 в плоской центральной вставке 14 тора 13.

Вертикальное перемещение тора 13 ограничивается сверху регулировочным винтом 21.

Устройство работает следующим образом.

Наклон корпуса устройства 1 на угол вызывает перемещение жидкости 4, приводящее к пропорциональному изменению угла наклона плавающего тора 13 относительно днища корпуса 1. Указанное перемещение тора приводит к измерению расстояний h₁ и h₂ от пьезоизлучателей 9, 10 до отражателей 5, 6 на величину h. Расстояния h₁, h₂ определяют время прохождения ультразвука t₁, t₂ от пьезоэлементов 9, 10 до отражателей 5, 6 и обратно, которые определяются из соотношения: t_i h_i/C, где С скорость ультразвука в жидкости; i номер пьезоэлемента.

Величина t t₁ t₂ представляет собой дифференциальную разность, пропорциональную углу, которая фиксируется посредством измерительного блока 11.

Измеритель наклонов имеет следующие преимущества. Использование плавающего тора позволяет исключить погрешности от поверхности волн. Тор в этом случае выполняет функцию интегрирующего колебания элемента, что повышает точность измерений при контроле быстро меняющихся углов наклона, при вибрациях.

Тор, сцентрированный регулировочным винтом 21 в центре, является жестким передаточным двуплечим рычагом между каждой из пар отражателей, что делает схему измерений строго дифференциальной. В прототипе нежесткость границы раздела уровня жидкости нарушает дифференциальную методику измерений.

Центровка тора посредством четырех стержней, проходящих с зазором через отверстие в центральной вставке тора, позволяет свести к минимуму погрешности "подвески" тора, так как в этом случае тор плавает свободно и лишь ограничен в боковых и круговых перемещениях указанными стержнями.

Выполнение тора с расчетом, чтобы его центр масс совпадал с центром выталкивающей силы, сводит к нулю его собственные колебательные свойства, что уменьшает динамичную погрешность измерения.

Ограничение вертикального перемещения тора посредством регулировочного винта позволяет избежать температурной погрешности измерений, вызванной расширением жидкости и соответствующим повышением ее уровня. В описанном устройстве винт не дает тору привсплыть.

Сообщение жидкости над измерительными трубками позволяет избежать движения перетекающей жидкости в измерительных каналах, что уменьшает погрешность непостоянства скорости ультразвука из-за сложения скоростей жидкости и самого ультразвука и особенно из-за изменения плана распределения температур по жидкости в разных ее сечениях вдоль измерительного тракта вследствие ее перемешивания с массами перетекающей жидкости из других, менее или более прогретых частей корпуса; уменьшить колебательность жидкости вследствие уменьшения общей массы перетекаемой жидкости.

Использование нитей в совокупности с утяжелителями на отражателях позволяет существенно снизить трение в шарнирных сочленениях. В этом случае движение отражателя вверх происходит под действием тора, вниз под действием утяжелителя.

Основными преимуществами описанного измерителя наклонов является его высокая статистическая и динамическая точность, которая определяется соотношением восстанавливающего к вертикали (горизонтали) момента чувствительного элемента и моментов трения в направляющих в области точки равновесия.

В устройстве отражатели "проталкиваются" и вверх и вниз тором, который может развивать значительный момент как за счет своей массы, так и за счет выталкивающей силы, действующей на его сегменты при наклонах. В варианте с нитями эффективная масса тора передается утяжелителям, размещенным на отражателях, а тор работает на "всплытие", заставляя отражатели подниматься. В этом варианте тор максимально облегчается, что также повышает ударопрочность устройства.

Для повышения технико-эксплуатационных характеристик устройства возможно выполнение пузырькоотводных каналов вдоль измерительных трубок, а также ограничителей хода отражателей, препятствующих их выпаданию из измерительных трубок при переворачивании наклономера.

Наклономер имеет регулируемую постоянную времени. Так, если посредством винта 21 "притопить" тор, то центр выталкивающей силы жидкости окажется выше центра масс тора, что превращает его в маятник буйкового типа со своей собственной постоянной времени, которая будет определяться приведенной длиной маятника. Взаимодействие двух колебательных систем жидкость маятник с разными собственными резонансными частотами и разными постоянными времени существенно снижает общую колебательность такого тандема.

В случаях узких труб, когда невозможно использовать наклономеры достаточно большого диаметра, для увеличения коэффициента преобразования угол-линейное смещение отражатели могут быть размещены на нижнем конце легкого и длинного стержня, прикрепленного в центре тора вдоль осевой линии. В этом случае пьезоэлементы крепятся к боковым стенкам корпуса наклономера, а наклономер сохраняет свои выгодные динамические свойства, определяемые тандемом тор-жидкость, наряду с высокой чувствительностью, определяемой относительно большим линейным смещением длинного стержня.

Использование пьезоэлектрических преобразователей смещений также существенно повышает надежность измерения за счет высокой термической и радиационной стойкости пьезокерамики, а также ее ударопрочности.

Предлагаемое устройство может использоваться в инклинометрах, системах измерения углов неподвижных объектов.

Использование изобретения существенно повышает точность измерения углов и достоверность показаний систем, использующих указанные измерители.

Формула изобретения

1. Ультразвуковой двухкоординатный измеритель наклонов, включающий корпус, частично заполненный жидкостью, пьезоизлучатели, включенные по дифференциальной схеме, измерительный блок, отличающийся тем, что в нем корпус снабжен измерительными трубками над пьезоэлементами, над которыми размещен пустотелый тор с плоской центральной вставкой, перекрывающий поверхность жидкости с кольцевым зазором относительно стенок корпуса, который посредством жестких рычагов шарнирно связан с отражателями ультразвука, размещенными в измерительных трубках и выполненных в виде плоского экрана с направляющими, при этом тор центрируется в корпусе посредством четырех стержней, расположенных в корпусе около его геометрической оси и проходящих с зазором через соответствующие отверстия в плоской центральной вставке тора, вертикальное перемещение тора ограничивается сверху регулировочным винтом, а масса и объем тора выполнены из условия, чтобы при свободном плавании его центр масс совпадал с центром действия выталкивающей силы.

2. Измеритель наклонов по п.1, отличающийся тем, что жидкость в корпусе измерителя сообщается только в полости над измерительными трубками.

3. Измеритель наклонов по п.2, отличающееся тем, что рычаги, связывающие тор с каждым из отражателей, выполнены в виде гибких нерастяжимых нитей, а отражатели снабжены утяжелителями.

РИСУНКИ

Рисунок 1