Способ измерения высоких давлений

 

изики. -.. >

j (7l ) Заявитель высоких давлений АН СССР (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ

Изобретение относится к измеритель ной технике, а именно к технике измерения высоких давлений, в частности с помошью ультразвука,и может быть использовано при измерении давления в твердотельных камерах высокого давления с малым рабочим объемом и твердой пластичной рабочей средой, передающей давление. Известны способы измерения давления ультразвуковым методом, основанные на определении скорости звука в эталон- ; ной среде, в которой создают давление, соответствующее измеряемому давлению.

Эталонное вещество помешают в сжимаемую среду, возбуждают в нем ультразвуковые волны, измеряют скорость звука в эталонном веществе и.по извест ной теоретической или предварительно измеренной зависимости скорости звука в эталонном веществе от давления вычисляют давление в эталонном веществе, соответствующее давлению в сжатой рабочей среде (1 ) .

Однако измерение скорости звука требует образец эталонного вещества значительной длины, порядка 1 см. Камеры высоких и сверхвысоких давлений имеют рабочие камеры малых объемов и поместить туда эталонный образец, пригодный для измерения в нем скорости звука, не представляется возможным.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является способ измерения давления, согласно которому через эталонное вещество пропускают упругую волну, частоту которой подбирают таким образом, что в эталонном веществ ве укладывается определенное (целое) число полуволн, и по этой частоте находят величину измеряемого давлении (23.

Недостатком известного способа является необходимость регистрации синzo фазного наложения волн, отраженных от двух границ эталонного вещества, что

% накладывает ограничение на амплитуды и длительности отраженных сигналов.

Образец эталонного вещества должен

r где Чо — скорость звука в эталонном веществе трансформатора; и - толщина трансформатора.

Преобразователь подключают к схеме возбуждения и приема ультразвука, в ка мере создают давление, изменяют частоту генератора, возбужцаюшего преобразователь, и устанавливают ее по.минимальной величине сигнала отраженного ультразвукового ймпульса,наблюдаемого на экране осциллографа. Измеряют частоту генератора и вычисляют давление по формуле.

j (Ч + 2Ч )(2С„+ С +2С 1х при использовании продольных упругих волн и по формуле

P=C (" + (V«+29„z) (2c„W+c„+ +2c<6e)) . (1- к /к ) при использовании сдвиговых упругих волн, где 9, С - упругие постоянные второго порядка; С,-.„- упругие модули третьего порядка используемого эталонного- веижтва.

3 9763 1 иметь длину в несколько (10) длин волн звука, что составляете мм на частоте 10 МГц и сравнимо с размерами рабочего объема камер сверхвысокого давления. Образец должен иметь

5 плоскопараллельные границы в контакте, с внутренней стенкой камеры и рабочей средой. Кроме того, измерить сверхвысо кие давления, которые генерируются в камерах с рабочим объемом 0,3-0,5 см, 3 указанными средствами нельзя.

Целью изобретения является расширение диапазона измерения и возможное ти измерения в камерах давления малых объемов.

Указанная цель достигается тем, что согласно способу измерения высоких давлений, основанному на пропускании ультразвуковых колебаний через эталонное твердое тело, помещенное в камеру давления с рабочей средой, упомянутые колебания пропускают через четвертьвол новый акустический трансформатор импедансов, размещаемый на внутренней . стенке камеры давления, устанавливают частоту колебаний, соответствующую ми нимуму отраженного от границы стенки камеры и акустического трансформатора сигнала, и по полученному значению частоты судят о величине давления.

На чертеже изображена схема камеры давления типа "тороид".

Между пуалсоном 1 и пуансоном 2 с плоским дном располагают контейнер 3, в котором размещают рабочую среду 4 и реперный металл 5. На плоское дно пуансона 2 помещают четвертьволновый трансформатор 6, а на противоположную сторону пуансона соосно с трансформатором наклеивают пьезопреобразоватень 7. Четвертьволновыйтрансформатор, форма коФО торого отображает форму внутренней стенки камеры размещают на внутренней стенке таким образом, что на него действует давление среды. Коэффициент отражения звука от границы камеры с трансформатором в стационарном режиме будет минимален при такой частоте звука, когда трансформатор импедансов является точно четвертьволновым Эта частота

:зависит лишь от упругих свойств и толщины трансформатора импедансов и изменяется, когда на трансформатор импедансов, изготовленный из эталонного вещества, воздействуют давлением. Через трансформатор .импедансов пропускают ультразвуковую волну и устанавливают частоту ультразвуковой волны по минимуму отраженного от границы стенки

6 ф камеры и трансформатора сигнала, и по этой частоте находят величину измеряе-мого давления.

Способ осуществляется следующим образом.

B качестве эталонного вещества берут твердое вещество, зависимость упругих свойств которого от давления известна в требуемом интервале давлений с нужной точностью. Трансформатор импедансов изготавливают в форме диска или оболочки таким образом, чтобы одна поверхность трансформатора прилегала к поверхности внутренней стенки, камеры, а вторая была параллельна первой. Толшину трансформатора для измерений в мегагерцевом диапазоне частот берут в пределах 0,5-2,0 мм. Трансформатор импедансов размещают между внутренней стенкой камеры и рабочей средой, передающей давление, в акустическом контакте с обоими. На внешней стенке камеры, напротив трансформатора и соосно с ним, размещают ультразвуковой преобразователь — кварцевую пластину Х или У— среза размером, равным или меньшим, чем размер акустического трансформатора.

Кварцевый преобразователь ультразвуковых волн берут с резонансной частотой Е -(2n+4) у /4„„(5 976

Пример l. Определение давления фазового перехода в реперных металлах.

Для камеры "тороид" с диаметром лунки

15 мм и плоской площадкой с диаметром

7 мм на дне лунки акустический трансформатор импедансов берут в виде диска толщиной 1 мм и диаметром 6-7 мм.

Диск вырезают из слитка монокристаллического молибдена с образующей вдоль кристаллографического направления (1 00) 16

Диск размещают на плоском дне пуансона камеры, на противоположную внешнюю сторону которого наклеивают кварцевый диск "Х"-среза диаметром 7 мм и резонансной частотой 9 МГц соосно с диска- 15 ми молибдена. По формуле (1) вычисляют

Е для диска с 1l =1 мм, используя известные данные для скорости звука в молибдене и его модулей упругости и подставляя их в формулу для вычисления щ давления (2)

Чо 6 715 .10 3 м/с (2п+1) =5

Способ измерения высоких давлений путем пропускания ультразвуковых колебаний через эталонное твердое тело, п мещенное в камеру давления с рабочей средой, о т л и ч а ю ш и и с я тем, что, с целью расширения диапазона измерения и возможности измерения в камерах давления малых объемов, ультразвуковые колебания пропускают через четвертьволновый акустический трансфор- . матор импедансов, размещаемый на внутренней стенке камеры давления, устанавливают частоту колебаний; соответствую о

f =(2n+<) 4+ =8,390 Mlu

С =461 7 ГПа;

1 4

Ч +27 = — — Гпи и 12 К4, gb3

С -1333,0 ГПа;

С „=3557,0 ГПа;

Р=24, 1 8 (1- f / o ) ГПа.

В контейнере камеры стандартным образом размещают и рабочую среду— индий, которая обжимает молибденовый диск и реперные металлы - висмут, олово, барий, Преобразователь подключают к схеме возбуждения и приема ультразвука, камеру с контейнером сжимают прессом до усилия, при котором наблюдается .скачок электрооопротивления реперного металла.

Увеличивают частоту генератора до тех пор, пока наблюдаемый на экране осциллографа отраженный сигнал не станет минимальным. Измеряют установлен- 4 ную таким образом частоту.

Для скачка электросопротивления в олове Го„„бс, =9,855 МГц. Вычисляют соответствующее давление по формуле (й)

P =24- 8 4- = 9 ЕГПь

Увеличивают сжатие до скачка электросопротивления в барии. Настраивают чаототу по минимальному отраженному сигналу Е д „„= 1 О, 320 МГц.

Вычисляют соответствующее давление р» 24 (g y .— =12 40ГAct.

316 6

Пример 2. Давление фазового перехода в реперных металлах опредеilsIIoT так же, как и в примере 1, только используют сдвиговую волну (преобразователь "У"-среза на частоту 10 МГц), молибденовый диск толщиной Ь=(0.7 мм и формулу (3) для вычисления давления

Чо =3,257* 10 см/с;

Мо (4Ъ =;1 163 МГц; (2m+1) =9;

fp =10,469 МГц;

С44=108 7 ГПа;

С,, =269,0 ГПа;

С,, =893,0 ГПа;

P=18,212(1-Е /Я ) ГПа.

Аналогичным образом измеряют частоту генератора, возбуждающего упругие волны, когда отраженный ультразвуковой сигнал минимален при соответствующих скачках электросопротивления в олове и барии onosa 12" 867 Mt це

f g »+ =13 573 МГц.

Вычисляют соответствующее давление

Роповс

Р „ри =12,40 ГПа.

Предлагаемый способ позволяет измерить давление до 12,5 ГПа (давление фазового превращения в барии), что существенно выше максимального давления, измеряемого известным способом (7,7 ГПа — давление фазового превращения в висмуте), позволяет измерить давление в рабочем объеме 0,3-0,5 см, Э что в два раза меньше объема, в котором измеряется давление известного способа.

Настройка по минимуму сигнала поэволяет автоматизировать процесс измерения давления, существенно повысив быстродействие которое достигло 1 с против 30 с.

Формула изобретения

2. Авторское свидетельство СССР

% 461675, кл. G 01 L 11/00, 1972 (прототип).

7 976316 8 шую минимуму отраженного от границы 1. Авторское свидетельство СССР камеры и акустического трансформатора % 392366, кл. Ci 01, 9/08, 1972. сигнала, и по полученному значению час° тоты судят о величине давления.

Источники информации, принятые so внимание при экспертизе

Составитель И. Невский

Редактор Л. Гратилло Техред ЛЯекарь Корректор М. Демчнк

Заказ 8993/69 Тираж 887 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4