Способ измерения атмосферного давления
Владельцы патента RU 2572789:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук (ИМКЭС СО РАН) (RU)
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при мониторинге атмосферного давления в метеорологии, климатологии и экологии. Способ измерения атмосферного давления заключается в измерении изменения электросопротивления деформируемой части анероидной коробки, которая выполнена из сплава с эффектом памяти формы со сверхупругими свойствами. Определив временную зависимость электросопротивления деформируемой части с помощью измерителя сопротивления и ЭВМ, отвечающей за прием, обработку и вывод результатов измерения, получают график зависимости атмосферного давления от времени. Техническим результатом изобретения является уменьшение габаритов прибора и повышение чувствительности измерений. 1 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при мониторинге атмосферного давления в метеорологии, климатологии и экологии.
Известны способы измерения давления с помощью тензометрических датчиков. Они заключаются в размещении на механической мембране тензорезистивных датчиков, измерении изменения их сопротивления, пропорционального величине приложенного усилия на их подложки со стороны мембраны вследствие деформации последней от внешнего давления [Тросников Д., Жук В. Датчики давления: принципы работы и опыт эксплуатации // Энергетика и ТЭК. 2008. №7/8. С. 66-69. Патент на изобретение №2396528] (аналоги).
Существенным недостатком этого способа является то, что тензометрические датчики давления связаны с механической усталостью тензорезисторов, надежность которых ниже надежности самих механических мембран, на которых они расположены. Кроме того, тензорезисторы требуют определенных температурных условий для своей работы, что не всегда выполнимо в условиях эксплуатации.
Наиболее близким к предлагаемому решению является способ измерения атмосферного давления, который заключается в размещении в воздушной среде анероидных коробок, деформации которых при изменении давления преобразуют с помощью передаточного механизма в сигнал, пропорциональный давлению, который регистрируют механическим способом. Прибор состоит из чувствительного элемента - блока анероидных коробок, температурного компенсатора, передаточного механизма, регистрирующей части и корпуса [см. работу барографа М-22. Справочник по гидрометеорологическим приборам и установкам. Л.: Гидрометеоиздат, 1971, с. 61] (прототип).
Основным недостатком способа является громоздкость чувствительного элемента, изготовленного в виде блока анероидных коробок, а также низкая разрешающая способность измерения величины атмосферного давления.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является снижение массогабаритных характеристик и повышение чувствительности датчика атмосферного давления.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что как и в известном способе измерения атмосферного давления, размещают анероидную коробку в воздушной среде и преобразуют ее деформации, пропорциональные изменению атмосферного давления, в сигналы, пригодные для последующей оцифровки, обработки и анализа, компенсируя при этом влияния температуры внешней среды на значение измеряемой величины.
В отличие от известного деформируемую часть анероидной коробки выполняют из сплава с эффектом памяти формы со сверхупругими свойствами, фиксируют изменение его электросопротивления, вызванное перестройкой кристаллической решетки сплава в ходе деформации при изменении механической нагрузки на нее под воздействием атмосферного давления.
Предлагаемый способ основан на том, что при изменении атмосферного давления происходит изменение механического воздействия на деформируемую часть анероидной коробки, которая изготовлена из материала с эффектом памяти формы, имеющего сверхупругие (резиноподобные) свойства, заключающиеся в том, что в нем под действием механических внешних напряжений происходят обратимые полиморфные превращения: повышение и понижение нагрузки ведет, соответственно, к росту или сокращению низкосимметричной фазы, что сопровождается знакопеременной макроскопической деформацией элемента, изготовленного из этого материала, и изменением его электросопротивления в силу изменения электронно-фононного взаимодействия в системе кристаллической решетки. Таким образом, колебания атмосферного давления, вызывающие знакопеременные изменения механической нагрузки на деформируемую часть анероидной коробки, ведут к пропорциональному изменению ее электросопротивления.
Известны сплавы, которые испытывают знакопеременные обратимые деформации при соответствующем изменении воздействия на них, осуществляющиеся не за счет упругой (гуковской) деформации, а за счет сдвиговой деформации, обусловленной ростом и сокращением термоупругой низкосимметричной фазы. В свою очередь, изменение фазового состояния вещества деформируемой части ведет к существенному изменению ее электросопротивления, что обеспечивает высокую чувствительность датчика из такого сплава.
Деформируемая часть может быть изготовлена из сплава на основе никелида титана, обогащенного никелем до пятидесяти одного атомного процента. Этот сплав отличается высокой технологичностью, позволяющей получать тонкие пленки, действующие в широком диапазоне температур.
На фигуре представлен график зависимости «давление-деформация» такого сплава. При давлениях, не превышающих значения, соответствующего точке «А» на графике, сплав деформируется упруго. В точке «А» давление достигает величины, при которой в сплаве начинают возникать кристаллы низкосимметричной фазы. Далее, между точками «A» и «В» при постоянном увеличении давления доля этой фазы растет пропорционально давлению. В точке «В» ее доля достигает 100%, и при дальнейшем повышении давления сплав вновь начинает деформироваться упруго в соответствии с упругими константами низкосимметричной фазы. При уменьшении давления процесс идет в обратной последовательности, и многократное циклирование по описанной схеме не приводит к каким-либо существенным изменениям в сплаве с точки зрения его эксплуатационных свойств. При этом в определенном интервале деформаций (выделен штриховыми линиями) процесс идет безгистерезисно, а незначительное изменение давления ΔP в пределах его колебаний вызывает существенное изменение деформации Δε и, соответственно, электросопротивления сплава.
Предлагаемый способ измерения атмосферного давления сводится к измерению изменения электросопротивления деформируемой части анероидной коробки, пропорционального величине атмосферного давления и компенсации влияния температуры внешней среды на значение измеряемой величины. Определив временную зависимость электросопротивления деформируемой части с помощью измерителя сопротивления и ЭВМ, отвечающей за прием, обработку и вывод результатов измерения, получим график зависимости атмосферного давления от времени.
Предлагаемый способ обеспечивает уменьшение габаритов прибора и повышение чувствительности измерений, с выводом данных о величине и динамике атмосферного давления на исполнительное устройство (дисплей и т.д.).
Способ измерения атмосферного давления, заключающийся в размещении в воздушной среде анероидной коробки, преобразовании деформаций коробки при изменении атмосферного давления в сигнал, регистрируемый приемным устройством, компенсации влияния изменения температуры внешней среды на значение измеряемой величины, отличающийся тем, что деформируемую часть анероидной коробки выполняют из сплава с эффектом памяти формы со сверхупругими свойствами, фиксируют изменение электросопротивления сплава, вызванное перестройкой кристаллической решетки сплава в ходе деформации при изменении механической нагрузки на нее под воздействием атмосферного давления.
