Способ и устройство для калибровки датчиков динамического давления



Способ и устройство для калибровки датчиков динамического давления
Способ и устройство для калибровки датчиков динамического давления
Способ и устройство для калибровки датчиков динамического давления

 


Владельцы патента RU 2573671:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт прикладных проблем" (RU)

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для калибровки средств измерительной техники. Техническим результатом изобретения является расширение метрологических возможностей за счет повышения на порядок уровня калиброванного (образцового) по амплитуде скачка давления до атмосферного давления (105 Па), повышения точности калибровки датчиков динамического давления и сокращения времени на проведение градуировочных испытаний. Калиброванный по амплитуде скачок давления получают при продольном ударе сверху по торцу сосуда с водой, установленного вертикально с возможностью свободного перемещения в продольном направлении, в результате которого у дна сосуда, где помещен датчик давления, возникает кавитационный разрыв водной среды, вызванный ускоренным смещением стенок сосуда относительно инерционно неподвижной воды. Сила продольного удара должна соответствовать смещению стенок сосуда с ускорением а>9,8 м/с2. Уровнем заполнения сосуда водой задают значение Рг гидростатической составляющей давления столба жидкости в сосуде, устанавливая, таким образом, диапазон амплитуд Рк=-(Раг) испытательного давления. Обеспечивает получение стабильных калибровочных скачков давления с амплитудой Рк≥105 Па. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к способам калибровки средств измерительной техники.

Калибровка средств измерительной техники - совокупность операций, выполняемых в целях определения и подтверждения действительных значений метрологических характеристик и (или) пригодности к применению средств измерений (Справочник по эксплуатации космических средств. / Л.Т. Баранов, В.Л. Гузенко, А.П. Ковалев и др. / Под ред. проф. А.П. Полякова. - 2-е изд, перер. и доп. - СПб.: ВКА им. А.Ф. Можайского, 2006, стр. 613). По своему конструктивному исполнению средства измерений подразделяются на: меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи, измерительные установки, измерительные системы. Настоящая заявка на изобретение посвящена способам калибровки первичных измерительных преобразователей (датчиков) динамического (импульсного) давления и измерительным установкам (устройствам) для их реализации.

Существует достаточно большое количество способов калибровки средств измерений динамического (импульсного) давления, в спектральном составе которых преобладают как низкочастотные составляющие (от единиц Гц до десятков кГц), так и компоненты с более высокими значениями частот.

Известен способ и устройство для калибровки датчиков давления путем воздействия скачка давления, возникающего в момент открытия золотникового устройства, соединяющего между собой две камеры, одна из которых больше другой и имеет отличное давление от первой (а.с. СССР № 158125, 1962 г.). Недостаток данного способа состоит в том, что он позволяет калибровать только низкочастотные датчики, предназначенные для измерения относительно медленно изменяющиеся динамических процессов, по причине конечных размеров перепускного отверстия, соединяющего камеры.

Известны устройства для калибровки датчиков давления (а.с. СССР № 169840, 1963 г.; а.с. СССР № 972288, 1982 г.), содержащие падающий груз внутри вертикально установленного сосуда (в форме цилиндрической трубы), заполненного водой. Однако эти устройства не обеспечивают высокой точности градуировки высокочастотных датчиков динамического давления, поскольку при ударе груза по поверхности воды возникают их сложные взаимные колебания, вызывающие пульсации и замедленное нарастание давления, приводящие к ухудшению характеристики преобразования датчиков в области высоких частот.

Применение вышеперечисленных аналогов возможно лишь для градуировки низкочастотных датчиков динамического давления в широком диапазоне (как больше, так и меньше 105 Па) создаваемых динамических нагрузок.

Известен также способ динамической градуировки датчиков давления путем воздействия на датчик гидростатическим давлением столба жидкости с последующим скачкообразным изменением давления (а.с. СССР № 638859, 1978 г.).

Суть данного способа состоит в том, что датчик давления помещают в вертикальный сосуд, подвешенный или установленный на опоре, и нагружают, заливая, например, водой и погружая, таким образом, датчик на необходимую глубину. Начальное погружение датчика давления в воду определяет величину амплитуды испытательного давления. Скачкообразное изменение давления получают резким устранением опоры (подвеса) сосуда с водной средой. В результате чего сосуд, вместе с помещенным в него датчиком давления, под действием силы тяжести начинает двигаться с ускорением свободного падения, что приводит к скачкообразному уменьшению давления на его стенки и датчик.

Способ позволяет воспроизводить кратковременные динамические нагрузки, пригодные для градуировки высокочастотных датчиков динамического давления в области относительно малых значений избыточного давления до 105 Па.

К недостаткам способа следует отнести малую амплитуду скачка давления, определяемую высотой столба воды и, следовательно, ограниченную высотой сосуда. Так, для получения скачка давления амплитудой ~105 Па (1 бар) необходимо иметь столб воды высотой 10 м, что на практике выполнить достаточно сложно. Тем самым исключается возможность градуировки датчиков динамического давления области значений, превышающих 105 Па.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому ниже способу, принятым за прототип, является способ (патент RU №2480725, 2010 г.) и устройство (патент RU №102797, 2010 г.) для динамической градуировки и испытаний датчиков давления путем воздействия на них динамически нагружаемого столба воды. Способ и устройство - прототипы обеспечивают расширенный диапазон амплитуд создаваемых скачков давлений по сравнению с перечисленными выше способами и устройствами и, таким образом, позволяют градуировать датчики динамического давления как в области малых, до 105 Па, так и в области более высоких давлений, превышающих 105 Па.

Градуировку датчиков в способе по патенту RU №2480725 осуществляют поэтапно с использованием предварительно отградуированного (эталонного) датчика, предназначенного для измерения относительно низких давлений и обладающего, соответственно, повышенной чувствительностью. На первом этапе камеру с водой и помещенным в нее эталонным датчиком давления сбрасывают на подстилающую поверхность с заданной жесткостью. Амплитуду давления удара определяют через калиброванный (образцовый) скачок гидростатического давления порядка 0,1 атм (104 Па), соответствующий высоте столба воды в камере, равной 1 м.

Затем, не меняя высоты сброса камеры, проводят аналогичные испытания партии датчиков давления, предназначенных для измерения относительно высоких давлений. При этом находят такой из них, амплитуда сигнала на выходе которого в фазе сжатия приблизительно равна амплитуде сигнала в фазе разгрузки для эталонного датчика. После этого, увеличивая высоту сброса и жесткость подстилающей поверхности, за несколько циклов аналогичных измерений осуществляют его градуировку в рабочем диапазоне давлений.

Устройство по патенту RU №102797 U1, реализующее указанный способ, содержит заполненный водной средой сосуд, стойку с электрозамком, удерживающим сосуд в подвешенном состоянии, в нижнюю часть которого завернута заглушка с установленным в нее датчиком давления. При этом сосуд снабжен ограничивающими упорами, предназначенными для торможения его в момент соприкосновения с постилающей поверхностью, на которой установлены амортизирующие прокладки.

Однако реализация такого способа на практике является технически весьма сложным и трудоемким процессом и сопряжена с внесением в результаты определения градуировочной характеристики в верхней части рабочего диапазона датчика пропорционально увеличивающейся методической погрешности, что снижает точность градуировки.

Устранить указанные недостатки призваны заявляемые способ и устройство калибровки датчиков динамического давления.

Технический результат, достигаемый при использовании данного изобретения, заключается в расширении метрологических возможностей предлагаемых способа и устройства за счет повышения на порядок уровня калиброванного (образцового) по амплитуде скачка давления до атмосферного давления (105 Па) и более, что, в свою очередь, исключает методическую погрешность, присущую прототипу, и сокращения времени на проведение градуировочных испытаний.

В предлагаемом способе калибровки датчиков динамического давления техническое решение состоит в том, что калиброванный по амплитуде скачок давления внутри сосуда с водой получают при продольном ударе сверху по торцу сосуда, установленного вертикально с возможностью свободного перемещения в продольном направлении, в результате которого у дна сосуда, где помещен датчик давления, возникает кавитационный разрыв водной среды, вызванный ускоренным смещением стенок сосуда относительно инерционно неподвижной воды. Сила продольного удара должна соответствовать смещению стенок сосуда с ускорением а>9,8 м/с2.

В предлагаемом устройстве для калибровки датчиков динамического давления, техническое решение состоит в том, что продольное нагружение вертикально установленного сосуда, заполненного водой до заданного уровня, в нижнюю часть которого завернута заглушка с датчиком давления, выводы которого герметично выведены наружу и опирающегося с помощью фланца на легко деформируемую (сжимаемую) подушку, осуществляется посредством электромагнитного ударника.

Технический результат обеспечивается тем, что вследствие удара у дна сосуда резко падает давление за счет скоростного отрыва воды от стенок сосуда, сопровождающееся интенсивным выделением кавитационных пузырьков, сливающихся в единый воздушный пузырь, избыточное давление внутри которого близко к техническому вакууму. Максимальное давление в пузыре несколько меньше давления насыщенных паров воды, которое при температуре +17°С составляет менее 15 мм рт.ст., то есть меньше 2·103 Па (Физический энциклопедический словарь. - М.: 1983, стр. 236; Таблица физических величин. Справочник. Атомиздат, 1976, стр. 199).

Разгрузка датчика давления сопровождается формированием электрического сигнала uк(t) с выхода датчика, амплитуда Uк которого пропорциональна амплитуде калибровочного скачка давления

где Pa - атмосферное давление перед началом калибровки;

Рг - гидростатическое давление столба воды.

Минимальное значение Рк≥105 Па при этом может быть увеличено за счет удлинения сосуда с водой, то есть повышения гидростатической составляющей давления Рг, или посредством подключения внешнего источника давления (например, сосуда с сжатым воздухом), контролируемого по амплитуде.

Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами, на которых:

фиг. 1 иллюстрирует схему устройства, реализующего предлагаемый способ калибровки;

фиг. 2 иллюстрирует качественный вид типичной осциллограммы сигнала, получаемого с помощью предлагаемого устройства.

Калибровочное устройство (фиг. 1) состоит из стойки со съемной перекладиной 1, жестко закрепленного на перекладине 1 электромагнитного ударника 2 с бойком 3 и вертикально установленного сосуда 4, заполненного водой до заданного уровня, в нижнюю часть которого завернута заглушка с датчиком давления 10, выводы которого герметично выведены наружу.

Сосуд 4 представляет собой отрезок металлической трубы с приваренным к ней фланцем 5, опирающимся на легко деформируемую (сжимаемую) подушку 6, которая размещается на опорной площадке 7 станины 8. К нижней части площадки прикреплена направляющая гильза 9, внутри которой сосуд 4 может свободно перемещаться в продольном направлении. Движение сосуда 4 внутри гильзы 9 после удара по нему бойка 3 электромагнитного ударника 2 обеспечивается за счет сжатия проложенной между фланцем 5 и опорной площадкой 7 подушки 8, выполненной, например, из полиуретана.

Процесс калибровки с помощью данного устройства происходит следующим образом.

Заполняя сосуд водой, задают значение Рг гидростатической составляющей давления столба жидкости в сосуде, устанавливая, таким образом, диапазон амплитуд испытательного давления (1). Максимальный уровень воды в сосуде не должен создавать возможность ее выплескивания при ударе. Минимальный уровень воды выбирается из условия превышения ее веса над прилагаемым усилием к сосуду.

Скачкообразное изменение давления получают ударом бойка электромагнитного ударника сверху по торцу сосуда с водой. В результате удара сосуд ускоренно движется вниз относительно инерционно неподвижной воды, приводя тем самым к кавитационному разрыву воды, сопровождающемуся интенсивным выделением кавитационных пузырьков, сливающихся в единый воздушный пузырь с давлением менее 2·103 Па, создавая калиброванный по амплитуде скачок давления. Электрический сигнал uк (t) с выхода датчика, амплитуда Uк которого пропорциональна амплитуде Рк скачка давления, передается на регистратор.

Далее через отношение амплитуды Uк электрического сигнала uк(t), зарегистрированного регистратором, к амплитуде калиброванного скачка давления Рк производится расчет чувствительности датчика давления

и сравнение ее с паспортными данными.

Предлагаемые способ и устройство были апробированы при калибровке датчиков давления типа ДСЛ20-6. Амплитуда Uк зарегистрированного электрического сигнала на его выходе, типичная форма которого показана в качестве примера на осциллограмме (фиг. 2), соответствует перепаду давления, действующему на датчик, Рк=1,1·105 Па.

Таким образом, за счет единичного удара обеспечивается сокращение времени на проведение градуировочных испытаний, на порядок повышается уровень калиброванного (образцового) по амплитуде скачка давления до атмосферного давления (105 Па) и более, что исключает методическую погрешность и в целом приводит к расширению метрологических возможностей предлагаемых способа и устройства.

1. Способ калибровки датчиков динамического давления, включающий получение калиброванного по амплитуде скачка давления Рк внутри сосуда с водой, измерение амплитуды Uк сигнала на выходе датчика динамического давления, расположенного на дне сосуда, и последующее определение его чувствительности как отношения rд=Uкк, отличающийся тем, что калиброванный по амплитуде скачок давления получают при продольном ударе сверху с силой, соответствующей ускорению а>9,8 м/с2, по торцу сосуда с водой, установленного вертикально с возможностью свободного перемещения в продольном направлении, в результате которого у дна сосуда возникает кавитационный разрыв водной среды, вызванный ускоренным смещением стенок сосуда относительно инерционно неподвижной воды.

2. Устройство для калибровки датчиков динамического давления, содержащее стойку, сосуд с водой, в нижнюю часть которого завернута заглушка с датчиком динамического давления, отличающееся тем, что для создания калиброванного по амплитуде скачка давления на стойке, снабженной съемной перекладиной, жестко закреплен электромагнитный ударник, при этом сосуд с водой, установленный вертикально и опирающийся с помощью фланца на легко деформируемую (сжимаемую) подушку (например, из полиуретана), размещенную на опорной площадке станины, жестко связанной со стойкой, в результате продольного удара сверху по его торцу бойком электромагнитного ударника может перемещаться в продольном направлении внутри направляющей гильзы, приваренной к нижней части станины.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для поверки и калибровки датчиков давлений. Стенд для поверки и калибровки датчиков давления содержит коллектор для подключения образцового и поверяемых датчиков давления, устройство для создания давления, соединенное пневматической магистралью с коллектором, и измеритель-калибратор давления, включающий вычислительно-управляющее устройство, блок индикации и блок печати.

Заявленное изобретение относится к области приборостроения, в частности к способам градуировки датчиков давления. Заявленный способ градуировки датчиков давления воздушной ударной волны включает воздействие на датчик градуировочной воздушной ударной волны (ВУВ), образованной подрывом заряда взрывчатого вещества, измерение амплитуд выходного сигнала датчика, определение избыточного давления во фронте градуировочной ВУВ и расчет коэффициента преобразования датчика, при этом непосредственно за градуируемым датчиком давления, на расстоянии, соизмеримом с продольным размером его чувствительного элемента, устанавливают ориентированную нормально на центр взрыва плоскую жесткую преграду, а избыточное давление во фронте падающей градуировочной ВУВ определяют через отношение амплитуд U2 и U1 зарегистрированного датчиком сигнала отраженной от преграды и падающей волн из соотношения: где p0 - атмосферное давление.

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к калибровке датчиков импульсного давления методом создания импульсного давления в гидравлической камере.

Настоящее изобретение относится к прикладной метрологии и может быть использовано для экспериментальной отработки конструкций волоконно-оптических датчиков давления для ракетно-космической и авиационной техники.

Изобретение относится к медицинской технике. Устройство для проверки работоспособности тонометров содержит тонкостенный цилиндр (1), имеющий диаметр, близкий к диаметру руки человека.

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.

Изобретение относится к калибровочному оборудованию, в частности к устройствам создания гидравлического давления, предназначенным 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.

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

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

Изобретение относится к области измерения давления. Сущность изобретения заключается в том, что манометр абсолютного давления содержит электронные силоизмерительные и силокомпенсирующие устройства, поршневую пару, образованную структурно-сопряженными магнетиками, разъединяющую объемы вакуумной (сравнительной) камеры от объема измерительной камеры, пневмолинии которых могут селективно подключаться к пневмомагистралям технических средств создания вакуума, давления или нормализованного воздуха атмосферы путем программного переключения э/м клапанов распределительного коммутатора, при этом супермагнетик («магнитная жидкость) в ССМ покрыт тонким слоем галинстана - жидкого металлического сплава галлия, индия и олова, магнитопровод ССМ выполнен из магнитострикционного материала (МСМ) или, если он таковым не являлся, дополнен включением МСМ в его структуру, используется как ультразвуковой магнитостриктор путем размещения на нем катушки возбуждения, соединенной с ВЧ генератором гармонических колебаний, оболочка вакуумной камеры, при большом объеме, покрыта с внешней стороны резистивной проводящей пленкой, кратковременно подключаемой в режиме создания в ней вакуума к источнику электропитания; при малых объемах оболочки она подвергается кратковременному прогреву внешними источниками интенсивного оптического излучения. Технический результат - расширение диапазона измерения в области высокого вакуума и повышение точности измерений. 9 ил., 6 табл.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для прецизионного измерения давления на основе тензомостового интегрального преобразователя давления в широком диапазоне рабочих температур. Предложен способ измерения давления и калибровки, в котором калибровку аддитивной и мультипликативной температурной погрешностей проводят при непрерывном измерении напряжений с диагоналей тензомоста отдельно для минимального и максимального значения давления при изменении температуры от минимальной до максимальной рабочей температуры и обратно, а нелинейность преобразователя от давления оценивают при изменении давления в НУ и крайних точках рабочих температур. Давление вычисляют по коэффициентам, рассчитанным при калибровке, путем последовательной компенсации аддитивной и мультипликативной температурной погрешностей, а также нелинейности преобразователя от давления. Технический результат - повышение точности измерений за счет компенсации аддитивной, мультипликативной погрешностей и нелинейности тензомостового интегрального преобразователя давления во всем диапазоне изменения рабочих температур и давления при сокращении времени и трудоемкости калибровки. 4 ил.

Настоящее изобретение относится к системам контроля и управления промышленными процессами. Преобразователь содержит пьезоэлектрический преобразователь, содержащий первую клемму и вторую клемму; схему нормального режима работы для эксплуатации пьезоэлектрического преобразователя при нормальном режиме работы; схему самопроверки для подачи зарядного тока на пьезоэлектрический преобразователь при диагностическом режиме самопроверки и образования контрольного сигнала как функции от напряжения на пьезоэлектрическом преобразователе, обусловленного зарядным током. Причем схема самопроверки содержит: резистор для подачи зарядного тока на первую клемму пьезоэлектрического преобразователя через резистор; и схему переключения для отключения схемы нормального режима для соединения резистора с первой клеммой пьезоэлектрического преобразователя и для соединения второй клеммы с землей при диагностическом режиме самопроверки. При этом схема самопроверки замеряет напряжение на пьезоэлектрическом преобразователе в течение определенного периода времени после подачи зарядного тока на пьезоэлектрический преобразователь и, если напряжение на пьезоэлектрическом преобразователе представляет собой RC зарядную кривую стандартного емкостного соединения на основе замеренного напряжения, имеющего значение между первым пороговым значением и вторым пороговым значением, схема самопроверки подает проверочный сигнал, который указывает на нормальное состояние. Технический результат заключается в возможности осуществления самопроверки. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 2 ил.
Наверх