Ультразвуковой маятниковый угломер

(51)з 6 01 С 9/20 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ волноводами. 1 ил. б(71) Обнинский институт атомной энергетиКИ(56) Авторское свидетельство СССРЬЬ 551515, кл. 6 01 Г 23/28, 06.01,76.(54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МАЯТНИКОВЫЙ УГЛОМЕР(57) Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и служит для измерения угловых перемещений технических объектов. Целью изобретения является повышение точности. Указанная цель достига(и.Я 2 и) 1679193 А 1 ется тем, что в ультразвуковом маятниковом угломере, содержащем корпус 1, подвешенный на опорах маятник 4, пьезоэлементы 7, генератор электрических колебаний 8, измерительный блок 9, соединенный с пьезозлеметами по дифференциальной схеме. Маятник выполнен в виде свободно качающегося коромысла, содержащего два вертикальных симметричных относительно оси качания канала 6, образующие акустические волноводы. В нижних торцах последних расположены приемо-излучающие пьезоэлементы, а корпус разделен вертикальной непроницаемой перегородкой 2 на две равные емкости, частично заполненные жидкостью 3 и гидравлически сообщающиеся сИзобретение относится к контрольноизмерительной технике, а именно к устройствам для измерения угла наклона объектовпо отношению к вертикали или любому исходному положению, и может быть использовано в машиностроении, энергетике,геологии, строительстве, а также в научныхэкспериментах.Целью изобретения является повышение точности,На чертеже представлено устройство,общий вид,Устройство содержит корпус 1, разделенный непроницаемой перегородкой 2 надве равные емкости, частично заполненныежидкостью 3, маятник 4, свободно качающийся на призматических опорах 5 в плоскости чертежа. Внутри маятника имеютсядва вертикальных канала образующих акустические волноводы 6, симметричные относительно плоскости симметрии корпуса(оси качения маятника), в нижних торцахэтих каналов помещены пьезоэлементы 7,электрически соединенные по дифференциальной схеме с генератором 8 и измерительным блоком 9. Каждый волновод 6 припомощи перепускных каналов 10 гидравлицески сообщается с соответствующейемкостью в корпусе и образует с ней сооб. щающийся сосуд. Между маятником и корпусом предусмотрен минимальный зазор 11порядка нескольких десятых долей мм, Величина этого зазора должна быть достаточной для устранения касания маятника скорпусом. Кроме того, при малом зазореулучшаются демпферные свойства маятника,Устройство работает следующим образом.Роль гравитационно-чувствительногоэлемента выполняет маятник 4. В исходномсостоянии маятник занимает симметричноеположение относительно корпуса 1, Уровень жидкости и при этом соответствуетлинии АВСО. Этот уровень является одинаковым также и для обоих волноводов 6.При наклоне корпуса 1 на угол Ь (новое положение корпуса показано пунктир.ом) гидростатическое равновесиенарушается, При этом объем жидкости всвободном пространстве между маятникоми перегородкой 2 в левой емкости уменьшается, а в правой - увеличивается. Положение маятника при этом относительновертикали остается практически неизменным, так как выталкивающая сила жидкостинезначительна из-за разности плотности жидкости и маятника, изготовленного из тяжелогометалла (например, стали). В результате этого происходит вытеснение жидкости из левой емкости в вол новод 6 и пространство, образованное зазором 11, при этом уровень жидкости поднимается на величину+ Ьп.В правой емкости происходит обратный 5 процесс и уровень жидкости понижается навеличину - Ь и, а разность уровней составляет 2 Ь и.Изменение уровня относительно исходного положения происходит на основе зако нов гидростатики: объем вытесненнойжидкости равен объему погруженной части тела (маятника), а выталкивающая сила рвана весу вытесненной жидкости.Исходя из указанных законов, можно 15 составить следующие соотношения:Ь Ч. = Ь Нп (1)где Ь Чв - оооъем вытесненной жидкости;ЬЧп - объем погруженной части ма ятника,Равенство (1) позволяет получить выражение (2)ЬЬ=(Я 33+ Яв)= Ь НмЯм,(2) 25где Ь и - приращение высоты уровняжидкОсти в емкости и волноводах при наклоне корпуса;30 ; з - суммарная площадь зазоровмежду маятником и корпусом;Яв - площадь горизонтального сеченияволновода;Ь Нм- приведенноелинейное перемещение маятника относительного корпуса;Зм - средняя площадь горизонтальногосечения погруженной части маятника.Из выражения (2) следует 40 Ь и ЬНм - Ь НмКв, (3)Зм, +Яьгде Кв - коэффициент соотношения площадей.На практике имеет место Кв1 (Кв =10,20), поэтому малое перемещение маятника ЬНм вызывает большое (Кв - раз)изменение уровня жидкости Ь и в волноводах, что повышает чувствительность угломера,Приведенное линейное перемещениемаятника ЬНм может быть представленочерез средний радиус маятника Ввр и угловое перемещение маятника Ьу в следующем аиде,55 ЬН = нсрЬ 7 (4)С учетом равенства (4) выражение (3)приобретает следующий вид:Ь Ь=ср Ьу.К., (5)Из выражения (5) можно определитьчувствительность угломера О:(л= д - =Яср Кв=Яс (6) )/+ С учетоц дифференциальной схемы включения двух волноводов имеем оконча- тельно. (7) 0 =2 Яср Составитель Ю.БессоновТехред М,Моргентал Корректор С. Шевкун Редактор М,Янкович Заказ 3200 Тираж 298 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Ь10Из выражения (6) следует важный вывод. для повышения чувствительности, следовательно, и точности угломера, необходимо выбрать максимально возможное значение коэффициента соотношения площадей Кз. На практике велчина среднего радиуса маятника Яср ограничена допустимыми габаритными размерами угломера, поэтому параметром, варьируемым в широком интервале, является параметр К. Для выбора большого значения этого параметра согласно выражению (3) необходимо выбрать большое соотношение площади 8 по отношению к суммарной площади сеченйя всех зазоров и площади волновода. На 25 практике это соотношение можно выбрать в пределах 10 - 20.Разность уровней 2 ЬЬ, возникающая в волноводах 6, фиксируется при помощи ультразвуковых импульсов, излучаемых пьезо элементами 7, при этом импульсы отражаются границей раздела жидкость - воздух и возвращаются по волноводам 6 к. пьезоэлементам, При этом разность времени возвращения импульсов пропор циональна разности уровней 2 Л й. Эта разность регистрируется измерительным блоком 9,Устройство имеет следующие преиму щества.Применение явления гидротрансформации значительно увеличивает чувствительность устройства к изменению угла наклона и повышает точность его измере ния. Способность маятника сохранять свое неизменное положение (выталкивающей силой жидкости можно пренебречь) позволяет получить перпендикулярную к оси волновода отражающую границу жидкость - воздух, что обеспечивает стабильный высокий коэффициент отражения ультразвука и повышает точность измерения.Применение призматической опоры маятника уменьшает коэффициент трения и уменьшает зону нечувствительности устройства.Помещение маятника в корпус с узкими зазорами между маятником и корпусом позволяет получить хорошие демпферные свойства и динамическую стабильность устройства,Устройство предельно простое по конструкции и технологично в изготовлении и надежно в эксплуатации.Формула изобретения Ультразвуковой маятниковый угломер, содержащий корпус, полость которого частично заполнена жидкостью, два пьезоэлемента, размещенные в плоскости измерения,ниже уровня жидкости и симметрично относительно плоскости симметрии корпуса, и измерительный блок, соединенный по дифференциальной схеме с пьезоэлементами, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, он снабжен вертикальной непроницаемой перегородкой, установленной в плоскости симметрии корпуса, и маятником, выполненным в виде коромысла с двумя симметричными грузами, в каждом из которых выполнен вертикальный канал, сообщающийся по жидкости с полостью корпуса, а пьезоэлементы установлены в нижних торцах соответствующих вертикальных каналов, при этом внутренняя поверхность полости и наружная поверхность грузов расположены с зазором относительно друг друга и в плоскости измерений выполнены по дугам окружностей с центрами, совпадающими с точкой подвеса маятника,