Устройство для измерений линейных перемещений

)5 6 01 В 17/00 СУДАРСТВЕНЮЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ И ГКНТ СССР. в е) 4ф 1 НИ ОПИСАНИЕ И БР ЕЛЬСТВУ К АВТОРСКО 2 Изобретение относится к измерительной и экспериментальной технике и может быть использовано для контроля, измерения и регистрации линейных перемещений: подвижных объектов или механизмов с.ог-, раниченным участком перемещения. например, глубоководных манипуляторов или штоков гидроцилиндров.Известен преобразователь линейных перемещений, содержащий объект, отражающий зондирующий ультразвуковой импульс, электронный блок, измеряющий время пробега зондирующего импульса до. объекта.и обратно, две дополнительные отражающие плоскости, дополнительный. электронный блок, измеряющий время пробега дополнительного зондирующего им- . пульса между ими, необходимое для определения текущего значения скорости звука в жидкости.Недостатком известного преобразователя является погрешность, вносимая воздействием температуры и давлфйия на дополнительную акустическую базу;, ограниченную двумя дополнительными отража.ющими плоскостями, .а .также сложность электронного блока из-за необходимости нного измерения малых интервалов времени, за которые зондирующии импульс пробегает расстояние между дополнительными отражающими плоскостями.Наиболее близким по технической сущности к изобретению является измеритель скорости звука, содержащий цилиндрический корпус, размещенный в торце корпуса протектор, прилегающий к внутренней поверхности протектора приемно-излучаю(21)4815646/28 ., быть использовано для контроля, измере- (22) 17.04;90 ния и регистрации линейных перемещений (46)23.04.92.БюлЛФ 15подвижных обьектов или механизмов с ог- (71). Донецкий государственный универси- раниченнцм участком перемещения, напритет, мер, глубоководных манипуляторов или (72) С.П,Клопенкоштоков гидроцилиндров. Цель изобретения (53) 620.179,16(088.8) . - повцшение точности за счет компенсации (56) Патент США М 4769793, кл. 6 01 3 9/66, погрешностей, вносимых воздействием 1988 внешних Факторов, Используя один и тот жеАвторское свидетельство СССР М отражатель, 10, отражающий ультразвуко, кл. 6 01 8 17/00; 1989, . вые импульсы, излучаемые приемоизлучаюСеравин Г.Н.Измерение скорости звука: щими преобразователями 4 и 7, поочередно в океане,-.М.: Гидрометеоиздат, 1979. с;136. подключаемыми электронным коммутато ром 3 к электронному блоку.2 и отстоящими (54) устРойстВО ДЛя ИЗМВ ЕНий ЛИ- на разном расстоянии от отражателя 10, по- НЕйНЫХ ПН ЕМЕЩЕНИй: зволяет исключить временные паразитные (57) Изобретение относится к измеритель- задержки, приводящие к погрешности изной и экспериментальной технике и. может мерений расстояния до объекта 12. 1 ил,щий электроакустический преобразователь, электронный блок, электрически связанный с обратимым электроакустическим преобразователем, отражатель, соосно противолежащий протектору, термобарокомпенсатор изменяемой акустической базы.Недостатком этого преобразователя является погрешность, обусловленная наличием некомпенсированных паразитных задержек в электронном и акустическом трактах измерителя, а также ограниченность применения из-за необходимости эталонной жидкости с известным и постоянными температурой и давлением,Цель изобретения - повышение точности за счет компенсации погрешностей, вносимых воздействием внешних факторов.Цель достигается тем, что устройство, содержащее цилиндрический корпус, параллельный его торцовой поверхности первый протектор, прилегающий к внутренней поверхности протектора, первый приемоизлучающий электроакустический преобразователь, размещенный в корпусе электронный блок и отражатель; соосно противолежащий торцовой поверхности корпуса, снабжено вторым протектором, прилегающим к внутренней поверхности второго протектора вторым приемоизлучающим электроакустическим преобразователем, установленными на торцовойповерхности корпуса разновысокими первой и второй герметическими опорами, на которых размещены первый и второй протекторы соответственно, и электронным коммутатором для поочередного подключения преобразователей к электронному блоку,На чертеже показано устройство, продольный разрез.Устройство состоит из цилиндрического корпуса 1, в котором расположен электронный блок 2, электрически соединенный с коммутатором 3, первого приемоизлучающего электроакустического преобразователя 4, защищенного первым протектором 5, установленным на первой герметичной опоре 6, второго приемоизлучающего электро- акустического преобразователя защищенного вторым протектором 8, размещенным на второй герметичной опоре 9, отражателя 10, соединителя 11 и перемещаемого объекта 12,Устройство работает следующим образом,Электронный блок 2 измерителя линейных перемещений, размещенный в герметичном корпусе 1, через коммутатор 3 подключен к одному из приемоизлучающих электроакустических преобразователей, например, к размещенному в герметичнойопоре 9 преобразователя 7, защищенномуот воздействия внешней среды протекто 5 ром 8. Так как расстояние от преобразователя 7 до отражателя 10; закрепленногосоединителем 11 с перемещаемым объектом 12 равно Н 1, и частота циркуляции ультразвуковых импульсов 11. После того, как10 коммутатором 3 будет отсчитано необходимое для измерения частоты следования количество импульсов, он переключитэлектронный блок 2 на приемоизлучающийэлектроакустический преобразователь 4,15 размещенный на расстоянии Н 2 от отражателя 10. В этом случае, при неизменномположении отражателя 10, частота циркуляции ультразвуковых импульсов будет 12.При работе с одним приемоизлучаю 20 щим электроакустическим преобразователем точность зависит от величинпогрешностей, вносимых воздействиемтемпературы и давления - ЬСтр; наличиемпротектора Л Сп; паразитным временем за 25 держки в электронных цепях Ь Сэ, Исполь-,зуя один и тот же отражатель 10,отражающий ультразвуковые импульсы, излучаемые попеременно преобразователям4 и 7, отстоящими на разном расстоянии от30 отражателя 10, позволяет исключить временные паразитные задержки, приводящиек погрешности измерений расстояния дообъекта 12.Время одного периода для каждого пре 35 образователя суммируется из следующихсоставляющих;НТп= г т,р+ тп+ х э+ - ; сгде Т - время периода, с;40 гт,р - задержка, вносимая дестабилизирующим воздействием температуры и давления .на величину акустического путиультразвукового импульса, с;г я - задержка, вносимая протектором,45 с;хз - задержка в электронных цепях, с;Н - величина акустического пути ультразвукового импульса, м;с - скорость распространения ультра 50 звукового импульса, мй,Тогда разность периодов первого и второго приемоизлучающих электроакустических преобразователей будет представлятьЬТП = Ьтт,р + Жд + Ьтэ +, с,ЬН и задержки, вносимые протектором, при равной их толщине, компенсируются полностью, а, с учетом теплового и барическогоменение вр цепях пр я ультра О Сг= б ских приращений с ветстдействие температулностью, а погреш. разбалансом ия Е 1/Е 2 (по расчету Е 1=105 10 МПа, а - 106 10 МПа) соедует, что возенсируется ивносимамого отношемо значениекое значение. 55 откуда слры комп.ность,необходинеобходифактичес изменения величины пути ультразвукового импульса в жидкости и небольшого изменения величины паразитной задержки в электронных цепях при изменении частоты следования ультразвуковых импульсов ско рость звука в жидкости равна с = ЬН 1+ аЬгм/с2 .112 где Ь н- н 1-н 2 - разность длин акустических баэ, м; 10Ь с- гэ-тэ"-из емени задержки в электронных и изменении. частоты следовани звуковых импульсов, с.Расстояние от протектора до отражате ля теперь определяется из выражения: - ,м,с без поправочных коэффициентов, так как погрешности компенсируются при условии 20 и неизменности разности длин акустических баэ Но, что обеспечивается примене.- нием материалов герметичных опор с такими величинами температурных коэффициентов линейного расширения а 1 и а 2, 25 такими величинами модуля Юнга Е 1 и Ега 1 Е 2 соответственно; что - = в , что вытекает,а 2 Е 1 для температурных приращений, например; иэ равенства выражений Ь 1= Ь 2=. 30 =1 а 1 Ь с= 12 аг й, откуда1 а 2 венно1 Е 1 а 1 Е 2- = - , а совместно - = - .1 г ЕгЕТаким образом, лри проведении изме-.рений всегда известно текущее значениескорости звука в жидкости независимо от еетемпературы, давления или газонасыщенности, известны и компенсируемые паразитные задержки в электронных цепяхизмерителя, исключено влияние на резуль-.таты измерений протектора, В случае прецизионных измерений, где необходимоучесть приращение длины перемещаемогообъекта относительно плоскости торца измерителя, вовнутрь объекта устанавливается компенсатор с перестраивеемым,отношением длин плеч под воздействиемтемпературы и давления, а на компенсаторустанавливается отражатель,Например, в случае разности высот Ногерметичных опор, равной 0,03 м и среде, вкоторой работает измеритель - в морскойводе, погрешности, вносимые воздействием температуры и давления ЬС,я=310 зм/с, вносимые протектором, влияние которого заключается в изменении его толщины при воздействии максимально достижимого по условиям технического задания температурного градиента:Ап= иа смакегде Ьи - приращение толщины протектора,и - толщина протектора, м;ап - ТКЛР материала протектора, 1/град;Ьмвкс - максимальная величина температурного градиента, ОС.Так как для морской воды в натурных условиях рабочий диапазон температур находится в пределах 2-35 ОС, то при толщине протектора 1 мм, ймакс ОС,Ь п=810 7 м, а погрешность оп составляет примерно 10 2 м/с.Влияние времени задержки в электронных цепях определяется по формулеЕ Н (1), м/с где Р - частота выходного сигнала, Гц:Н - длина пути пробега ультразвукового импульса, м;Гп - время задержки; мкс.При типовой длине пробега погреш. ность опт, вносимая временем задержки в электронных цепях, порядка 10 м/с. Поэтому условие компенсации погрешностей обязательно для точного функционирования устройства и осуществляется в случае идентичности материалов и толщины протекторов, так и приемоиэлучающих электро- акустических преобразователей, это, в случае приемоизлучающих электроакустических преобразователей, достигается применением пленочных льезоэлектриков или электретов, Наиболее применимы пленки ПВДФ, выпускаемые толщиной 10-25 мкм, металлизированные с одной или обеих сторон, с прочностью на растяжение 50 МПа, при сжатии 70 МПа.Для герметичной опоры с высотой 2 выбирают материал - сталь нержавеющую ЗОХ 13 с ТКЛР а 2= 1110 /град и модулем Юнга Е 2=210000 МПа, для герметичной опоры с высотой 6 - латунь ЛЖМц-1-1, с ТКЛР а 1 2210 1/град, и модулем Юнга Е 1=106 000 МПа, Так как1 аг Е 1ставляет - 5 10 м, что приводит к изменению значения скорости звука на 2,24 10 м/с, чем можно пренебречь. Обычно конкретные материалы имеют разброс значений аи Е в пределах одного-двух процентов. В 5 случае отклонения одного из значений в указанных пределах погрешность не превышает. 10" м/с, а так как обычно при работах на море максимальное значение температуры и давления не совпадают, то точность изме рений гарантируется.Использование предлагаемого изобретения позволяет с высокой чувствительно- . стью измерять абсолютное перемещение объекта при упрощении конструкции и 15 уменьшении габаритов преобразователя, а также использовать одно и то же устройство для измерений перемещений различных обьектов путем простой установки устройства в посадочные гнезда, испольэовать од нопроводные линии связи, так как при частотном выходе возможно совмещение питания электронного блока устройства постоянным напряжением, что упрощает герметизацию электровводов, особенно для 25 больших глубин. формула изобретен и я Устройство для измерений линейных перемещений, содержащее цилиндрический корпус, параллельный его торцовой поверхности первый протектор, прилегающий к внутренней поверхности протектора первый и риемоизлучающий электроакустический преобразователь, размещенный в корпусе электронный блок и отражатель, соосно противолежащий торЦовой поверхности корпуса, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности за счет компенсации погрешностей, вносимыми воздей- ствием внешних факторов, оно снабжено вторым проектором, прилегающим к внутренней поверхности второго протектора, вторым приемоизлучающим электроакустицеским преобразователем, установленными на торцовой поверхности корпуса разновысокими первой и второй герметичными опорами, на которых размещены первый и второй протекторы соответственно, и электронным коммутатором для поочередного подключения преобразователей к электронному блоку,