Стенд для динамической градуировки преобразователей давления оптическими средствами

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 07.07. 80 (21) 2958380/18-10 с присоединением заявки N9 (23) Приоритет, Опубликовано 07.12.82.Бюллетень М 45

Дата опубликования описания 07. 12. 82

Р М К з

С 01 L 27/00

Государственный комитет

СССР по дедам изобретений и открытий (53) УДф 531.787 (088.8) Ю.Н. Власов, В.А. Зазулин, Ю.А. Грошенков 1 и Ю.Л. Кириллов ) »

t с

»» (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) СТЕНД ДЛЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ ГРАДУИРОВКИ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДАВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИМИ СРЕДСТВАМИ

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для динамической градуировки преобразователей давления бесконтактными оптическими средствами.

Известны устройства для динамической градуировки преобразователей давлений, содержащие эадатчик переменного давления и контактный преобразователь (13.

Недостатком таких устройств являются погрешности динамической градуировки, связанные с возмущениями исследуемой среды контактными образцовыми преобразователями.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому устройству является стенд для динамической градуировки преобразователей давления оптическими средствами, содержащий задатчик упругих колебаний, выполненный преимущественно в виде резонансной трубы переменной длины с профилированным соплом, диск с прорезями, установленный с возможностью вращения напротив сопла, Образцовый преобразователь, выполненный в виде двухлучевого интерферометра, состоящего из оптически связанных лазера, . светоделителя, двух светоотражателей,. первого фотоприемника и компенсатора,пульсаций показателя преломления, 5 расположенного в опорном плече интенферометра, датчик частоты пульсаций, выполненный в виде оптически связанных источника коллимированного света и диафрагмы, совпадающей по форме с профилированным соплом резонансной трубы, и.второго фотоприемника, расположенных по различные стороны диска, и регистрирующую аппаратуру (21.

Цель изобретения — повышение

15 точности градуировки.

Поставленная цель достигается тем, что в стенд для динамической градуировки преобразователей давления оптическими средствами, содержащий задатчик упругих колебаний, выполненный преимущественно в виде резонансной трубы переменноЪ длины с профилированным соплом, диск с про25 резями, устанОвленный с ВОзмОжнОСтью вращения напротив сопла, образцовый преобразователь, выполненный в виде двухлучевого интерферометра, состоящего из оптически свяэанных лазера, светоделителя, .двух светоотражателей, первого фотоприемни3

979927 ка и компенсатора пульсаций показате-, ля преломления, расположенного в опор. ном плече интерферометра, датчик частоты пульсаций, выполненный в виде оптически связанных источника коллимированного света и диафрагмы, совпа- 5 дающей по форме с профилированным соплом резонансной трубы, и второго фотоприемника, расположенных по различные стороны диска, и регистрирующую аппаратуру, введены последова- 10 тельно соединенные и подключенные к выходам первого и второго фотоприемников импульсное сравнивающее устройство и измеритель периода следования нулевых уровней фототока, подключенный к входу регистрирующей аппаратуры, а компенсатор пульсаций выполнен в виде камеры переменного давления, прозрачной в направлении оптической оси, соединен ной через введенный в стенд распределительный кран с пневмоаккумулятором, образцовым манометром и электромагнитным дистанционным клапаном, электрический вход которого соединен с пусковым входом измерителя периода следования нулевых уровней фототока.

При этом камера переменного давления выполнена в виде оптической кюветы переменной ширины с возмож- 30 ностью перемещения в направлении, ортогональном оптической оси.

Сущность изобретения заключается в том, что в опорном плече интерферометра располагается камера проз- 35 рачная для излучения лазера, давление в которой меняется по известному закону. С помощью электронной аппаратуры определяется момент. времени, когда происходит компенсация 40 пульсаций давления в измерительном плече интерферометра, по которому определяется перепад статического давления за время, равное четверти периода упругих колебаний. Таким образом, осуществляется своеобразная "привязка" образцовой аппаратуры к статическим эталонам давления.

На фиг. 1 представлена конструктивная общая схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 — эскиз камеры переменного давления, на фиг. 3 структурная схема регистрирующей аппаратуры, на фиг. 4а, б, в, г — временные диаграммы, поясняющие работу предлагаемого устройства.

Устройство (фиг. 1) содержит рабочую камеру, выполненную в виде резонансной трубы 1, с расположенными в ней градуируемыми преобразователями (не показаны). длина резо- 40 .нансной трубы может изменяться с помощью подвижного поршня 2, через который в рабочую камеру подается давление через вентиль 3. Резонансная труба 1 заканчивается проФили- 65 рованным соплом 4. Сопло 4 пер крывается диском 5, имеющим прорези 6, Диск закреплен на валу электродвигателя (не показан). Образцовым преобразователем в устройстве служит оптический интерферометр, содержащий лазерный источник 7 света, светоделитель 8, зеркала 9 и 10, фотоприемник 11.

Интерферометр расположен таким образом, чтобы его рабочий луч проходил через оптические окна 12 резонансной трубы 1, а опорный — через прорезь диска 5. В опорном плече интерферометра расположен компенсатор упругих колебаний, выполненный в виде камеры 13 переменного давления, включение которой осуществляется электромагнитным дистанционным клапаном 14 (фиг. 1 и 2).

Устройство содержит также измеритель частоты пульсаций, выполненный в виде источника 15 света, линзы 16 светового экрана 17 с отверстием 18, совпадающим по форме с профилированным соплом 4, и фотоприемника

19, Элементы 15-18 и фотоприемник 19 расположены по разные стороны диска 5. При этом по отношению к прорезям диска опорный луч интерферомет ра и профилированное сопло 4 расположены таким образом, чтобы осуществлялся стробоскопический режим работы интерферометра в моменты времени, соответствующие уменьшению величины переменного давления за четверть периода.

Камера переменного давления (фиг. 2) выполнена в виде оптической кюветы, ширина которой меняется, например, ступенчато по высоте (если интерферометр расположен горизон тально). Она содержит корпус 20 с оптическими окнами 21. При этом минимальная ширина одного из отсеков

22 камеры 13 не превышает 2 — 5 мм и на несколько порядков меньше ширины других отсеков.

Пневмопроводом 23 камера 13 соединена через распределительный кран

24 с пневмоаккумулятором 25 (газовый баллон), образцовым манометром 26 и электромагнитным дистанционным устройством 14, состоящим из клапана 27, электромагнита 28 и концевого выключателя 29.

Регистрирующая аппаратура (фиг. 3) содержит импульсное сравнивающее устройство 30, имеющее два входа

3i и 32, четыре выхода 33 — 36 и два канала преобразования (канал А и канал Б), блок 37 управления, имеющий три входа 38 — 40 и один выход 41, блок 42 измерения, имеющий три входа 43 — 45. Блок 37 управления и блок

42;измерения образуют измеритель периода следования нулевых уровней фототока.

979927

Импульсиое сравнивающее устройство выполнено в виде формирователя

46 импульсов, вход которого соединен с первым входом преобразователя

30 (по каналу A ), а выход соединен с входом дифференцирующей,цепочки 47, выход которой в свою очередь соединен с входами импульсного ограничителя 48 и инвертирующего ограничителя

49. Выход импульсного ограничителя

48 соединен с одиночным входом триггера 50, а выход инвертирующего ограничителя 49 — с нулевым входам триггера 50 и с первым входбм схемы 51 совпадения и с выхцдом 33 двухканального функционального преобразова- !5 теля 30 °

Кроме того, схема содержит ограничитель 52 уровня, вход которого соединен с вторым входом преобразова.. теля 30 (по каналу Б). Выход ограни- 2О чителя 52 уровня соединен с входом формирователя 53 импульсов, выход ко торого соединен с первым входом схемы 54 совпадения, второй вход которой соединен с выходом триггера 50 и с выходом 34 преобразователя 30.

Выход схемы 54 совпадения соединен с входом триггера 55, нулевой выход которого соединен с выходом 35 преобразователя 30, а единичный — с вторым входом схемы 51 совпадения, выход которой соединен с выходом 36 преобразователя 30.

Блок 37 управления выполнен в виде генератора 56, соединенного с первым входом схемы 57 совпадения, второй вход которой соединен с выходом триггера 58. Нулевой вход триггера

58 соединен с выходом схемы 59 сов.падения, входы которой соединены с входами 38 и 39 блока 37 управления. 40

Единичный вход триггера 58 соединен с входом 40 блока 37 управления.

Блок 42 измерения выполнен в виде схемы 60 совпадения, входы которой соединены с входами 43 и 45 блока 45

42 измерения и с входом реверсивного счетчика 61 импульсов. Выход схемы

60 совпадения соединен с первым входом реверсивного счетчика 62, второй вход которого соединен с выходом 50

44 блока 42. Выходы реверсивных счетчиков 61 и 62 соединен соответственно с цифровыми табло 63 и 64.

Выходы 33 — 36 двухканального функцианальнагo преобразователя 30 соответственно соединены с входами

38, 43, 49 и 44 блока 37 управления и блока 42 измерения. Входы 31 и 32 блока 30 соответственно соединены через усилители (не показаны ) с выходами фотоприемников 19 и 11 (фиг. 1) .

Вход 40 блока 37 управления соединен с электрическим входом электромагнитного дистанционного клапана

14 (фиг. 1, 2), т.е. с концевым выключателем 29 (фиг. 2 ). 65

Устройство для динамической градуировки преобразователей давления работает следующим образом. . Включается задатчик 14 переменного давления, выбирается необходимая частота и амплитуда упругих колебаний 65 (фиг. 4 ). Включается измеритель 15-19 частоты и образцовый измеритель 7 — 11 амплитуды упругих колебаний. При этом сигнал с выхода фотоприемника 11 несет информацию об амплитуде колебаний в относительных единицах, с выхода фотоприемника 19 — частоте.

Поскольку вращающийся диск 5 (фиг. 1 ) вызывает одновременно пе- . риодические пульсации давления в камере 1 и пульсации света в интерферометре 7 — 11, то тем самым задается стробоскопический режим работы интерферометра с интервалам времени рабочих импульсов 66(фиг. 4б), равным четверти периода упругих колебаний и периодом их следования, равным периоду упругих колебаний 65.

Фазовый сдвиг импульсов 66 относительно синусоиды 65 задается соответствующим расположением профилированного сопла и опорного луча света относительно прорезей диска 5. Он может быть задан любым, но в данном для упрощения дальнейшей обработки информации устройстве выбран таким, чтобы за период работы интерферометра величина давления изменялась от

1,4 до 0,3 амплитудного значения колебаний.

Для определения амплитудЫ давления в абсолютных единицах с помощью концевого выключателя 29 (фиг. 2) электромагнитного дистанционного клапана 14 кнопкой "Пуск" включается компенсатор упругих колебаний и регистрирующая аппаратура (фиr. 3 ). !

В камере 13 компенсатора упругих колебаний после его включения происходит монотонное изменение давления от Р„до Р, например, по закону 67, представленном(на фиг.4aj. В определенный момент времени происходит компенсация изменений показателя преломления в рабочем плече интерферометра за счет упругих колебаний соответствующим изменением показателя преломления в опорном плече интерферометра ; происходящего за счет монотонного изменения давления в рабочей камере 13. В этот момент 68 (фиг.4r ) на выходе фотоприемника 11 наблюдается отсутствие фототока. Для определения величины компенсирующего давления определяется момент времени 68 с помощью электронной схемы, представленной на фиг. 3. Этому моменту времени соответствует вполне конкретное давление в камере 13.

979927

Предварительно перед началом экспериментов осуществляются операции с компенсатором 13 упругих колебаний (фиг. 2 ), расположенным на координатном столике (не показан ).

Перемещают компенсатор 13 в положение, при котором на оптической оси находится отсек 22 с минимальной шириной. Ширина этой части кюветы задается из условия получения такого смещения интерферационных полос за счет изменения статического дав ления 67 (фиг.4в) в кювете, чтобы оно не выходило за пределы линейно1

ro участка преобразовательйой кривой интерферометра (5 ), т. е. чтобы 15 выполнялось соотношение и 6 ° f <Л/10, где-4 n — величина изменения показателя преломления при изменении статического давления, например, от Р„ до Р„ „ . Затем открывают рас- gQ пределительный кран 24 и запускают в камеру 13 через пневмопривод 23 из пневмоаккумулятора 25 газ. Давление в камере 13 повышается до значения Р„, измеряемого образцовым манометром 26, распределительный кран при этом ставят в другое положение.

Нажимают кнопку "Пуск", при этом срабатывает электромагнитный клапан 14, и газ из камеры 13 выходит в атмосферу. При этом статическое давление в камере 13 меняется по строго определенному временному закону 67 (фиг. 6), который в виду аналогичного преобразования записывается на

35 самописце, подсоединенном в этом случае через усилитель к фотоприемнику 11 (фиг. 1) при включенной рабочей регистрирующей аппаратуре (фиг. 3) .

При работе устройства камеру 13 49 передвигают в зависимости от амплитудй и частоты пульсаций давления в одно из рабочих положений, при котором возможна в определенный момент времени компенсация пульсаций пока- 45 зателя преломления за счет переменного давления изменением показателя преломления за счет изменения статического давления.

Изменение ширины камеры в направлении оси интерферометра удается " увеличить диапазон пульсаций, которые могут быть скомпенсированы одним и тем же компенсатором.

Несмотря на то что закон измене" ния статического давления, а значит и показатель преломления в компенса- . торе 13, постоянный, закон изменения оптического пути 3 ь)) меняется в зависимости от ширины кюветы в направлении луча 1 2 3 4 (фиг. б ) .

Задачей регистрирующей аппарату ры,(фиг. 3), является определение момента времени, при котором происхо- 45 дит компенсация сигналов в обоих плечах интерферометра, т.е. когда ток, снимаемый с фотоприемника 11, равен нулю. Схема работает следующим образом.

При поступлении в электромагнитный клапан 14 (фиг. 1, 2) сигнала

"Пуск" триггер 58 устанавливается в положение "1", что вызывает появление на его "единичном" выходе сигнала, разрешающего поступление импульсов с генератора 56 на вход блока

42 измерения.

По мере поступления "токовых" импульсов на йход A (фиг. 3) двухкана-: льного функционального.преобразователя 30 с фотоприемника 19 (фиг. 1) формирователь 46 формирует импульсы с крутыми фронтами, которые затем дифференцируются цепочкой 47 и через ограничитель 48 и инвертор-ограничитель 49 поступают на единичный и нулевой входы триггера 50.

На вход Б преобразователя 30 поступают импульсы с фотоприемника

11, характеризующие степень совпадения изМенений двух процессов в ветвях интерферометра. В случае, когда эти,импульсы присутствуют на входе 32 преобразователя 30, они проходят через ограничитель 52 уровня и формирователь 58 и поступают на схему 54 совпадения, соединенную с выходом триггера 50. При этом импульсы с выхода схемы 54 устанавливают триггер 55 в положение "1", при котором схема 51 открыта для прохождения импульсов с ограничителя 49, а схема 59 закрыта для прохождения этих импульсбв. Сформированные импульсы поступают из ограничителя 49 через схему 51 на вход счетчика 62 и приводят его в нулевое состояние.

Когда на входе Б импульсы отсутствуют, то триггер 55 находится в нулевом положении, при котором импульсы с инвертора ограничителя 49 не могут пройти через схему 51, а проходят через схему 59 на нулевой вход триггера 58, устанавливая его в нулевое положение, закрывая прохождение импульсов с генератора 5 импульсов на счетчики 61 и 62.

Таким образом, на цифровом табло

63 и 64 регистрируются два числа: первое соответствует длительности а второе — времени Т(фиг.4г) ..

Путем сравнения показаний образцового и рабочего преобразователей на различных частотах обычным способом осуществляют динамическую градуировку.

Применение предлагаемого устройства позволяет существенно повысить точность динамической градуировки преобразователей давлений за счет измерения амплитуды переменного

979927

10 давления в абсолютных единицах путем "привязки" образцовой аппаратуры к эталону статического давления.

При этом к имеющимся достоинствам оптической образцовой аппаратуры, таким как бесконтактность иэмере5 ний, высокое пространственное разрешение, безынерционность, добавляется такое важное достоинство как аб-. солютность измерений переменного давления, что ставит метрологические исследования в области переменного давления на новую качественную основу ° !

Формула изобретения

1. Стенд для динамической градуировки преобразователей давления оптическими средствами, содержащий за- 2g датчик упругих колебаний, выполненный преимущественно в виде резонансной трубы переменной длины с профилированным соплом, диск с прорезями, установленный с возможностью 25 вращения напротив сопла, образцовый преобразователь, выполненный в виде двухлучевого интерферометра, состоящего из оптически связанных лазера, светоделителя, двух свето- ЗО отражателей, первого фотоприемника и компенсатора пульсаций показателя преломления, расположенного в опорном плече интерферометра, датчик частоты пульсаций, выполненный в виде оптически связанных источника коллимированного света и диафрагмы, совпадающей по форме с профилированным соплом резонансной трубы, и второго фотоприемника, расположенных по различные стороны диска, и регистрирующую аппаратуру, о т л и ч а ю щ и йс я тем,что,с целью повышения точности градуировки,в него введены последовательно соединенные и подключенные к выходам первого и второго фотоприемников импульсное сравнивающее устройство и измеритель периода следования нулевых уровней фототока, подключенный к входу регистрирующей аппаратуры, а компенсатор пульсаций. выполнен в виде камеры переменного давления, прозрачной в направлении оптической оси, соединенной через введенный в стенд распределительный кран с пневмоаккумулятором, образцовым манометром и электромагнитным дистанционным клапаном, электричес" кий вход которого соединен с пусковым входом измерителя периода следования нулевых уровней фототока.

2. Стенд по п.1„ о т л и ч а ю— шийся тем, что камера переменного давления выполнена в виде оптической кюветы переменной ширины с возможностью перемещения в направлении, ортогональном оптической оси.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

9679841, кл. G 01 L 27/00, 1979.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 711760, кл. G 01 L 27/00, 1980 (прототип ).

979927

Составитель О. Сафонов

Редактор T. Кугрышева Техредtt.Надь . Корректор M. Лемчик

Заказ 9346/30 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.5 æãoðîä, ул.Проектная, 4