Способ калибровки датчиков импульсного давления



Способ калибровки датчиков импульсного давления
Способ калибровки датчиков импульсного давления

 


Владельцы патента RU 2469284:

Государственное научное учреждение "Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси" (BY)

Изобретение относится к области техники измерения импульсных давлений и может найти широкое применение для калибровки различного типа датчиков импульсного давления, а также для проверки и установления их работоспособности. Заявлен способ калибровки датчика импульсного давления, основанный на сравнении показания калибруемого датчика с амплитудой давления воздействующей на него ударной волны. Согласно заявленному способу воздействие осуществляют сферической ударной волной, направленной по нормали к чувствительному элементу датчика и генерированной лазерным пробоем воздуха. Амплитуду ударной волны рассчитывают аналитически. Технический результат: повышение энергетической эффективности и производительности процесса калибровки. 2 ил.

 

Изобретение относится к области техники измерения импульсных давлений и может быть использовано при экспериментальных исследованиях в газодинамике, лазерной физике, в различных областях техники для обеспечения измерений импульсного давления.

Известен способ калибровки датчиков импульсного давления путем использования баллистического маятника [1]. Маятник выполнен в виде подвешенного на нити твердого шарика известной массы, который наносит удар по чувствительному элементу датчика. По высоте предварительного подъема шарика определяется амплитуда импульсного давления при ударе. Сравнивая эту амплитуду с показаниями датчика, получают искомый коэффициент калибровки. Недостаток этого способа обусловлен большой длительностью времени соударения шарика с датчиком. И если эта длительность превышает время возврата отраженного сигнала внутри датчика, то такой способ калибровки неприменим. Область контакта при ударе мала по сравнению с поперечным размером чувствительного элемента датчика. Вследствие этого в чувствительном элементе инициируется не плоская, а сферическая волна возмущения, что вносит ошибку в определение коэффициента калибровки. Другой недостаток данного способа - низкая производительность. Он позволяет калибровать датчики по одному. Кроме того, для использования этого способа требуются аналитические весы, чтобы точно определить вес шарика.

Известен способ калибровки датчиков импульсного давления путем воздействия на чувствительный элемент датчика ударной волны (УВ), инициированной взрывом небольшого заряда химического взрывчатого вещества (ВВ) или электрическим взрывом проволочки [2]. Недостатком данного способа является сложность и высокая стоимость используемого оборудования в виде взрывной камеры, внутри которой помещен заряд ВВ и на стенке которой укреплены калибруемый и образцовый датчики. Другой недостаток - низкая производительность. Датчики можно калибровать по одному. Кроме того, для калибровки требуется дополнительный датчик. Недостатком является также сложность проведения взрывных работ. Кроме того, при использовании данного способа в лаборатории или на производственном участке нужно хранить запас ВВ, что создает повышенную пожаро- и взрывоопасность.

Был также предложен способ калибровки путем воздействия на чувствительный элемент датчика УВ, создаваемой в ударной трубе, состоящей из двух камер высокого и низкого давления, разделенных мембраной [3]. Недостатком этого способа является использование сложного и дорогостоящего оборудования. Кроме того, для того чтобы прокалибровать один датчик, требуется использование двух дополнительных датчиков для измерения скорости УВ. Недостатком данного способа также является низкая производительность. За один цикл работы установки можно прокалибровать только один датчик.

Наиболее близким к заявляемому является способ, предложенный в [4], где калибровку осуществляют путем воздействия на чувствительный элемент датчика плоской УВ, инициированной приповерхностным лазерным пробоем воздуха. Для реализации этого способа применяют специальное устройство, представляющее собой ударную трубку с телескопической насадкой, в которой закрепляется калибруемый датчик. Пробой инициируют у поверхности поглощающей излучение таблетки, установленной на глухом торце трубки, оптически связанной окном в боковой стенке с импульсно-периодическим лазером. Недостаток этого способа состоит в том, что для его реализации требуется специальное устройство. Другой недостаток в том, что для калибровки требуется измерять скорость УВ, а по ней рассчитать амплитуду давления в предположении, что волна плоская. Но вследствие торможения газодинамического потока на стенке трубки при малом ее диаметре форма УВ будет искажаться, и отклоняться от плоской, что ведет к ошибкам калибровки. Далее измерение скорости УВ осуществляется времяпролетным методом, перемещением датчика на телескопической насадке при повторении лазерных импульсов. Это предъявляет повышенные требования к стабильности временных и энергетических параметров лазера. Недостатком является низкая производительность - чтобы прокалибровать один датчик, требуется несколько циклов работы установки.

Задачей изобретения является обеспечение возможности калибровки датчиков импульсного давления различных типов, упрощение и удешевление процесса калибровки, а также повышение его производительности.

Поставленная задача решается следующим образом. В способе калибровки датчиков импульсного давления, включающем сравнение показания калибруемого датчика с амплитудой давления воздействующей на него ударной волны, согласно предлагаемому техническому решению для воздействия используют сферическую ударную волну, генерированную лазерным пробоем воздуха, амплитуду которой рассчитывают аналитически.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1 показана схема расположения калибруемого датчика, лазера - источника импульсного излучения, фокусирующей линзы и малоразмерной металлической мишени, у поверхности которой осуществляется оптический пробой;

на фиг.2 показаны результаты калибровки датчика импульсного давления, полученные предлагаемым способом.

Калибровка датчика импульсного давления согласно предлагаемому способу осуществляется следующим образом. Калибруемый датчик l, электрически соединенный с регистратором его сигналов (на фиг.1 не показан), фиксируется на заданном расстоянии R от места оптического пробоя воздуха. Расстояние R должно не менее, чем на порядок превышать радиус входного окна датчика. В этом случае расстояние от центра пробоя до края окна менее, чем на 0.5% превышает расстояние до его середины. Потому часть фронта УВ, попавшая внутрь датчика, мало отличается от плоскости. Вследствие этого кривизна фронта сферической УВ не приводит к искажению его показаний.

Пробой может быть осуществлен как в открытом воздухе, так и у поверхности твердотельной мишени. Однако пробой в открытом воздухе требует высоких значений плотности мощности фокусируемого излучения (q≥1011 Вт/см2), тогда как пробой у твердой поверхности требует меньших значений плотности мощности (q≥108 Вт/см2), и потому позволяет в широких пределах варьировать энергию инициирующих лазерных импульсов. Поэтому для наших целей приповерхностный пробой более предпочтителен. Импульс излучения лазера 2 фокусируется линзой 3 на поверхности металлической мишени малого размера 4 и инициирует приповерхностное плазмообразование, генерирующее УВ в воздухе. При этом выполняются условия практически полного поглощения лазерного излучения генерируемой плазмой - длительность лазерного импульса не превышает времени формирования УВ (~10-7 с), а плотность мощности в области фокуса q≥5·108 Вт/см2. В этом случае оптический пробой подобен взрыву, а УВ после удаления от места пробоя на расстояние, на порядок превышающее размер области фокуса, становится сферической и достигает в таком виде чувствительного элемента калибруемого датчика.

Датчик импульсного давления в результате воздействия на него ударной волны генерирует электрический сигнал, форма которого однозначно связана с временным профилем ударного пика. Соответствующая осциллограмма записывается регистратором. По ней определяют амплитуду сигнала ΔU, однозначно связанную с амплитудой давления ΔР пришедшей ударной волны. Искомый коэффициент калибровки определяется соотношением:

ΔР рассчитывается по формуле Садовского с модифицированными коэффициентами. Исходная формула Садовского [5] получена в результате анализа экспериментальных данных по крупномасштабным взрывам зарядов тринитротолуола. Переписанная в форме, удобной для анализа лазерного взрыва, она имеет вид:

где ΔР - амплитуда давления в барах, Е - энергия лазерного импульса в Дж, R - радиус ударной волны в см. Ее коэффициенты равны:

Однако формула (2) с коэффициентами (3) применительно к лазерному взрыву дает завышенные результаты [6]. В связи с этим для учета специфики лазерного взрыва потребовалась модификация коэффициентов соотношения (2). Модифицированные значения коэффициентов (2), найденные из анализа лазерных экспериментов с использованием метода наименьших квадратов [7], равны:

С такими коэффициентами соотношение (2) вполне удовлетворительно описывает экспериментальные амплитудные зависимости лазерного взрыва. При этом погрешность аппроксимации экспериментальных данных (E=75 мДж) не превысила 6% [7]. Это позволяет для расчета коэффициента калибровки по (1) использовать формулу Садовского (2) с модифицированными коэффициентами (4)

В качестве примера применения предлагаемого способа калибровки на фиг.2 приведены результаты калибровки пьезоэлектрического датчика импульсного давления. Радиус входного окна датчика равен 5 мм. В качестве источника импульсного излучения использовалась лазерная установка в моноимпульсном режиме с длиной волны излучения 1.06 мкм, длительностью лазерного импульса τ=74 нс и энергией 1.37 Дж. Излучение фокусировалось плосковыпуклой линзой с фокусным расстоянием 10 см на торец латунного стержня в пятно диаметром 3 мм, что обеспечивало достижение плотности мощности излучения 3·108 Вт/см2 в пятне лазерного облучения на мишени. Для регистрации ударной волны датчик 1 устанавливался перпендикулярно направлению лазерного излучения на оптической скамье, что позволяло варьировать расстояние от датчика до мишени в пределах от 1 до 80 см. Сигнал с датчика регистрировался электронным осциллографом Tektronix DPO 3034. Входное сопротивление осциллографа составляло 1 МОм. Калибровочный коэффициент рассчитывался по формуле (1) для R=60 см - его величина равна 0.137 бар/В.

На фиг.2 (расстояния R - в см, амплитуда давления ударной волны ΔР - в барах) кривая 1 - прокалиброванные показания датчика, 2 - результаты расчетов по формуле (2) с модифицированными коэффициентами (4), 3 - результаты расчетов по формуле (2) с исходными коэффициентами (3), применительно к энергии используемых лазерных импульсов. Из фиг.2 видно, что калиброванные показания датчика хорошо согласуются с формулой (1) с модифицированными коэффициентами (4) для расстояний, начиная от 5 см и выше. При этом отклонение не превышает 9,5%. Отклонения, как видно из фиг.2, нарастают для расстояния менее 5 см по мере его уменьшения вследствие нарастания влияния кривизны фронта УВ. Это указывает на еще одно условие применимости предлагаемого способа калибровки, помимо перечисленных выше, - калибруемый датчик должен быть установлен так, чтобы расстояние от него до места пробоя, по крайней мере, в пять раз превышало поперечный размер его чувствительного элемента.

Таким образом, предложен способ калибровки датчиков импульсного давления, который обладает всеми достоинствами способов калибровки ударной волной с крутым фронтом и имеет ряд преимуществ по сравнению с известными. Его применение не требует никаких специальных устройств типа взрывных камер и ударных труб. Кроме того, сферическая УВ оказывает одинаковое воздействие на датчики, установленные на одинаковом расстоянии от места пробоя. Поэтому предлагаемый способ позволяет проводить калибровку и испытания единовременно нескольких датчиков разного типа с использованием единичного импульса лазерного излучения, энергия которого может быть измерена с высокой точностью. Т.е. предлагаемый способ калибровки предъявляет умеренные требования к стабильности временных и энергетических параметров лазера. При этом калибруемые датчики должны быть ориентированы радиально, навстречу приходящей сферической УВ, и установлены либо на одинаковом расстоянии от места пробоя, либо на разных, но так, чтобы датчики, установленные на меньших расстояниях, не искажали формы фронта УВ, идущей к удаленным датчикам. Каждый из калибруемых датчиков присоединяют к индивидуальному регистратору либо все датчики присоединяют к одному многоканальному регистратору. Т.о. предлагаемый способ калибровки обеспечивает повышение энергетической эффективности и производительности процесса калибровки. Он пожаро- и взрывобезопасен и одинаково пригоден для использования, как в лабораторных условиях, так и в условиях промышленного поточного производства.

Источники информации

1. Войтенко В.А. Маятниковый метод тарировки пьезодатчиков / В.А.Войтенко, Л.И.Кузнецов // ПТЭ. - 1992. - №4. - С.189-191.

2. Федяков Е.М. Измерение переменных давлений / Е.М.Федяков, В.К.Колтаков, Е.Е.Багдатьев. - М.: Издательство стандартов, 1982. - 215 с.

3. Уиллмарт У. Миниатюрные датчики из титаната бария для аэродинамических и акустических измерений давления / У.Уилмарт // Ударные трубы: сборник / У.Уилмарт [и др.]; под ред. Х.А.Рахматуллина и С.С.Семенова. - М.: Издательство иностранной литературы, 1962. - С.364-373.

4. Устройство для калибровки датчиков импульсного давления: пат. 6749 Республики Беларусь, МПК7 G01L 27/00 / Ю.А.Чивель; заявитель ИМАФ НАН Беларуси. - №а20020620; заявл. 2002.07.16; опубл. 2004.09.09 // Афiцыйны бюл. / Вынаходствы, карысныя мадэлi, прамысловыя узоры. - 2004. - №4. - С.182.

5. Садовский М.А. Геофизика и физика взрыва / М.А.Садовский. М., 1999.

6. Чумаков А.Н. Динамика ударной волны при лазерном приповерхностном пробое воздуха / А.Н.Чумаков, A.M.Петренко, Н.А.Босак // Инженерно-физический журнал. 2002. - Т.75. - №3. - С.161-165.

7. Чумаков А.Н. Аналитическое представление радиальной зависимости амплитуды давления импульсного приповерхностного оптического разряда / А.Н.Чумаков, A.M.Петренко, Н.А.Босак // VII международный симпозиум по радиационной плазмодинамике. Сборник научных трудов. М.: 2006. - С.102-105.

Способ калибровки датчика импульсного давления, основанный на сравнении показания калибруемого датчика с амплитудой давления воздействующей на него ударной волны, отличающийся тем, что воздействие осуществляют сферической ударной волной, направленной по нормали к чувствительному элементу датчика и генерированной лазерным пробоем воздуха, амплитуду ударной волны рассчитывают аналитически.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к калибровке датчиков в системе, содержащей множество датчиков, которые расположены с возможностью действия на них одной и той же нагрузки. .

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в приборостроении при разработке и изготовлении современных датчиков давления.

Изобретение относится к приборостроению, в частности к устройствам динамической тарировки датчиков давления, которые используются при исследовании быстропротекающих процессов, например, в технологии магнитно-импульсной и электрогидравлической обработки материалов.

Изобретение относится к приборостроению, в частности к устройствам, создающим давление газа, и может быть использовано в метрологических целях для проведения калибровки или поверки средств контроля и измерения давления методом сличения.

Изобретение относится к приборостроению, а именно к производству стрелочных приборов, и применяется для индивидуальной градуировки шкал манометров. .

Изобретение относится к контрольно-измерительной аппаратуре и используется в составе поверочной установки для метрологической аттестации измерителей артериального давления и частоты сердечных сокращений.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения статических и динамических характеристик газодинамических объектов, например, аэрометрических преобразователей, приемников воздушных давлений, преобразователей давлений, расходов (скоростей), воздухозаборников, газовоздушных трактов авиационного двигателя и др.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к регуляторам давления газовых сред, и может быть использовано в пневмогидросистемах с ограниченным жизненным пространством и в пневматических системах энергетических установок с жесткими требованиями к точности величины регулируемого давления.

Изобретение относится к приборостроению, в частности к устройствам, создающим давление жидкости или газа, и может быть использовано в метрологических целях для калибровки или поверки средств контроля и измерения давления методом сличения.

Изобретение относится к технологии изготовления тензорезисторных датчиков давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектромеханических систем

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к способам градуировки и испытаний датчиков давления путем воздействия на них столба жидкости

Изобретение относится к калибровочному оборудованию, предназначенному для оперативной поверки средств измерения давления и их калибровки

Группа изобретений относится к метрологическому оборудованию обеспечения приборов и может применяться для автоматизации процедуры калибровки и поверки приборов, а также для точного поддержания давления в небольшой емкости. Техническим результатом является упрощение средств задания давления при сохранении высокой стабильности регулирования и низком расходе рабочей среды. Способ задания давления в контролируемом объеме, заключаются в том, что задают «грубо» установленное значение давления в контролируемом объеме. Периодически измеряют в нем давление и, при отклонении его величины от заданной, вычисляют количество сжатого газа, которое необходимо ввести в контролируемом объеме или удалить из него. Подают или удаляют необходимое количество газа, которое затем «прецизионно» поддерживают для того, чтобы обеспечить его в контролируемом объеме. «Прецизионное» регулирование величины давления в контролируемом объеме производят, меняя сопротивление трубопроводной магистрали в схеме регулирования при задании избыточного давления от минимального значения и до максимального значения, прекращая поступление газа, с последующим поддержанием заданного давления в контролируемом объеме путем кратковременного открытия впускного клапана для подачи газа или выпускного клапана для отвода газа из рабочей емкости. При задании разрежения давления - от минимального сопротивления и до максимального значения сопротивления выключением всех клапанов элементов регулирования расхода и затем выпускного клапана, прекращая отвод газа из рабочей емкости. Дальнейшее поддержание заданного разрежения в контролируемом объеме с требуемой дискретностью производят путем кратковременного открытия впускного клапана для подачи газа или выпускного клапана для отвода газа из рабочей емкости. Установка для задания давления в контролируемом объеме содержит источники высокого и низкого давления и входную группу соответственно из впускного и выпускного клапанов со схемой регулирования. Схема регулирования включает в себя входную группу клапанов, трубопроводную магистраль для прохождения газа и последовательно соединенные между собой элементы регулирования расхода, а также рабочую емкость. Входная группа клапанов состоит из параллельно соединенных впускного и выпускного клапанов, подключенных в одной точке к первому из n элементов регулирования расхода. Источники давления связаны с входными вентилями через фильтры защиты системы регулирования от возможных загрязнений. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к калибровочному оборудованию, в частности к устройствам создания гидравлического давления, предназначенным для оперативной поверки средств измерения давления и их калибровки. Устройство содержит резервуар для рабочей жидкости, насос ручной гидравлический, камеру плавной регулировки, клапан сброса давления и выходной штуцер. Все эти узлы устройства закреплены на корпусе и установлены на подставке. Подача рабочей жидкости из резервуара в измерительную магистраль производится ручным гидравлическим насосом, при этом происходит повышение давления, дальнейший подъем давления осуществляется с помощью камеры плавной регулировки путем уменьшения ее объема и повышения тем самым давления в измерительной магистрали до максимального значения. Снижение давления с максимального значения производится камерой плавной регулировки путем увеличения ее объема, а сброс давления до атмосферного производится клапаном сброса давления. Технический результат заключается в упрощении конструкции, обеспечении удобства использования устройства и проведения его обслуживания, а также снижения массогабаритных характеристик устройства. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано при тарировке измерительных приборов, в т.ч. малого дифференциального давления, в частности измерительные манометры и измерительные преобразователи давления. Сущность заявляемого изобретения состоит в новом конструктивном исполнении задатчика давления в виде U-образного прозрачного гибкого трубопровода, заполненного жидкостью высотой не менее 1 метра, одна сторона которого закреплена стационарно и соединена с камерой статического давления, вторая имеет открытый в атмосферу конец и закреплена на механизме перемещения, обеспечивающем ее возвратно-поступательное перемещение в вертикальном направлении. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к медицинской технике. Устройство для проверки работоспособности тонометров содержит тонкостенный цилиндр (1), имеющий диаметр, близкий к диаметру руки человека. Цилиндр (1) изготовлен из пружинной стали и имеет сквозной разрез вдоль боковой поверхности (2), параллельно оси цилиндра. Внутри цилиндра (1) с каждой стороны разреза установлены два угловых кронштейна (3, 4). Одна сторона каждого кронштейна прикреплена к внутренней поверхности стенки цилиндра (1), на другой стороне одного кронштейна (4) закреплен постоянный магнит (8), а на другой стороне второго кронштейна (3) закреплены три геркона (5-7), которые электрически соединены с логическим устройством (12) и тремя светоиндикаторами (9-11), установленными на плате (19). Установленный на плате (19) электромагнит (13) состоит из катушки с сердечником (14), упругой стальной пластины (15), выполненной с возможностью периодического притягивания к магнитопроводящей стойке с полукруглым пазом (16), и магнитопроводящего основания (17). Катушка (14) электрически соединена с установленным на плате (19) блоком питания (18) электромагнита (13), а логическое устройство (12) выполнено с возможностью управления работой светоиндикаторов (9-11) и блока питания (18) электромагнита (13). Применение изобретения позволит осуществлять проверку работоспособности автоматических тонометров. 2 ил.

Настоящее изобретение относится к прикладной метрологии и может быть использовано для экспериментальной отработки конструкций волоконно-оптических датчиков давления для ракетно-космической и авиационной техники. На центр мембраны нанесена метка. Датчик закреплен в отверстии массивного основания, перпендикулярно поверхности которого установлена стойка с неподвижно закрепленной державкой, состоящей из нижней части и верхней части, соединенных между собой неподвижно. В верхней части державки крепится неподвижно индикатор часового типа таким образом, чтобы его продольная ось совпадала с продольной осью исследуемого датчика и центром мембраны. В основании находится отверстие для крепления устройства подачи давления, причем отверстия для крепления датчика и устройства подачи давления соединены между собой сквозным отверстием. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения прогиба мембраны и снижение погрешности датчика давления. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к калибровке датчиков импульсного давления методом создания импульсного давления в гидравлической камере. Устройство для калибровки датчиков импульсного давления содержит основание, на котором горизонтально закреплен подвижный подпор, на его торце установлена камера высокого давления с подсоединенными калибруемым и контрольным датчиками. Маятниковое ударное устройство выполнено со сменным ударником, оборудованным сменным бойком, выполненным из материала с различной твердостью. Горизонтальные оси камеры высокого давления, ударника и бойка при ударе совпадают. Техническим результатом изобретения является повышение точности калибровки датчиков импульсного давления, расширение диапазона создаваемых импульсов давления, упрощение конструкции. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области измерения давления, а именно к поверке и калибровке датчиков порового давления. Техническим результатом изобретения является повышение точности проверки, а так же уменьшение времени проверки. Устройство для тарирования датчиков давления включает герметичный бак с жидкостью, устройство для создания давления, приемное и вычислительное устройство. Герметичный бак имеет горизонтальный патрубок с гнездом для закрепления испытуемого прибора, которое, в свою очередь, имеет резьбовое соединение и закрыто уплотнительной шайбой, в которую непосредственно вставляется испытуемый прибор. Бак также снабжен прибором для визуального контроля давления подаваемого на тестируемый прибор. В верхней крышке герметичного бака располагается отверстие для залива жидкости, имеющее резьбовое соединение и закрываемое пробкой, снабженной уплотнительной прокладкой и клапаном ниппельного типа со штуцером. Источник сжатого воздуха также имеет прибор для визуального контроля давления. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх