УСТРОЙСТВО ДЛЯ КАЛИБРОВКИ ДАТЧИКОВ ДИНАМИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к области приборостроения, в частности к устройствам для 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).
Эту задачу решают с помощью калибровочных устройств, дающих возможность создавать скачки давления требуемой амплитуды.
Существует достаточно большое количество устройств для калибровки датчиков давления, действие которых основано на различных физических принципах (Садовский М.А. Геофизика и физика взрыва. - М.: Наука, 1999, с. 9-26)
Известно 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.). Недостатком данного устройства является то, что оно 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 о поверхность воды возникают сложные взаимные колебания, вызывающие пульсации и замедленное нарастание давления, приводящие к ухудшению характеристики преобразования датчиков в области высоких частот.
5
Применение вышеперечисленных аналогов возможно лишь для градуировки низкочастотных датчиков динамического давления в широком диапазоне (как больше, так и меньше 10 Па) создаваемых динамических нагрузок.
Известно устройство, реализующее способ динамической градуировки датчиков давления, путем воздействия на датчик гидростатическим давлением столба жидкости с последующим скачкообразным изменением давления (а.с. СССР №638859, 1978 г.).
5
Устройство позволяет воспроизводить кратковременные динамические нагрузки, пригодные для градуировки высокочастотных датчиков динамического давления в области относительно малых значений избыточного давления до 10 Па.
5
К недостаткам способа также следует отнести малую амплитуду скачка давления, определяемую высотой столба воды и, следовательно, ограниченную высотой сосуда. Так, для получения скачка давления амплитудой ~10 Па (1 бар) необходимо иметь столб воды высотой 10 м, что на практике выполнить достаточно сложно.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является устройство, реализующее способ калибровки датчиков динамического давления, путем воздействия на датчик суммы атмосферного и гидростатического давления столба воды с последующим скачкообразным изменением давления до уровня вакуума (Патент РФ №2573671, 2014 г.).
5
Устройство-прототип обеспечивает расширенный диапазон амплитуд создаваемых скачков давлений, по сравнению с перечисленными выше устройствами, и, таким образом, позволяет градуировать датчики динамического давления в области давлений, превышающих 10 Па.
В данном 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.
Необходимо отметить, что наряду с отмеченными выше достоинствами данного устройства, ему присущи два существенных недостатка.
Во-первых, из-за своего конструктивного исполнения оно может использоваться только в стационарных (лабораторных) условиях. Вместе с тем, в исследовательской практике часто возникает необходимость проверки работоспособности измерительного тракта и оценки погрешностей, вносимых его элементами в амплитудное значение градуировочного импульса давления, в полевых условиях, непосредственно перед проведением физических экспериментов. Для этих целей необходимо иметь мобильное и простое в эксплуатации калибровочное устройство.
Во-вторых, это устройство позволяет формировать калиброванный по амплитуде скачок давления с неизменными временными характеристиками и может использоваться в основном для калибровки низкочастотных датчиков, предназначенных для измерения относительно медленно изменяющихся динамических процессов. Причина в том, что для создания калиброванного по амплитуде скачка давления перемещение вертикально установленного сосуда с водой, достигается за счет сжатия легко деформируемой не сменяемой подушки (например, из полиуретана), на которую с помощью фланца опирается сосуд.
Устранить указанные недостатки призвана заявляемая полезная модель.
Задачей полезной модели является создание мобильного, легкого и простого в эксплуатации устройства, позволяющего осуществлять проверку работоспособности измерительных трактов динамических давлений как медленно, так и быстро изменяющихся динамических процессов и их калибровку в полевых условиях.
В предлагаемом устройстве для калибровки датчиков динамического давления, техническое решение состоит в том, что продольное нагружение вертикально подвешенного на пружинящем подвесе сосуда, заполненного водой до заданного уровня, в нижнюю часть которого завернута заглушка с датчиком давления, выводы которого герметично выведены наружу, осуществляется посредством удара по фланцу сосуда свободно скользящего под действием силы тяжести груза.
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.
к
к
Разгрузка датчика давления сопровождается формированием электрического сигнала u(t) с выхода датчика, амплитуда U которого пропорциональна амплитуде калибровочного скачка давления
а
где Р - атмосферное давление перед началом калибровки;
г
Р - гидростатическое давление столба воды.
к
г
5
Минимальное значение Р≥10 Па при этом может быть увеличено за счет удлинения сосуда с водой, то есть повышения гидростатической составляющей давления Р, или посредством подключения внешнего источника давления, контролируемого по амплитуде (например, сосуда со сжатым воздухом).
Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами, на которых:
Фиг. 1 иллюстрирует схему предлагаемого устройства;
ф
и
Фиг. 2 и 3 иллюстрируют качественный вид типичных осциллограмм сигналов, получаемых с помощью предлагаемого устройства, которые демонстрирует временные характеристики калиброванных по амплитуде скачков давления - длительность фронта τ и длительность τ импульсных сигналов, характеризующие скорость нарастания и общую (по вершине) длительность скачка давления, соответственно.
Калибровочное устройство (фиг. 1) состоит из вертикально подвешенного на пружинящем подвесе 1 сосуда 2, заполненного водой до заданного уровня, в нижнюю часть которого завернута заглушка с датчиком давления 4, выводы которого герметично выведены наружу, и груза 3 надетого на сосуд и свободно скользящего по его боковой поверхности.
Сосуд 2 представляет собой отрезок трубы, с приваренным к ней фланцем 5, на который устанавливаются сменяемые прокладки 6 из материалов с различной жесткостью.
С помощью сменяемых прокладок, при необходимости, можно изменять временные характеристики импульса давления.
Процесс калибровки с помощью данного устройства происходит следующим образом.
г
Заполняя сосуд водой, задают значение Р 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.
Груз 3, изначально находящийся в крайнем нижнем положении, поднимают и фиксируют вручную на заданной высоте, а затем отпускают (сбрасывают) по команде.
3
к
к
к
Скачкообразное изменение давления получают ударом свободно скользящего груза по фланцу сосуда с водой. В результате удара сосуд, растягивая пружинящий подвес, 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⋅10 Па, создавая калиброванный по амплитуде скачок давления. Электрический сигнал u(t) с выхода датчика, амплитуда U которого пропорциональна амплитуде Р скачка давления, передается на регистратор.
к
к
к
Далее через отношение амплитуды U электрического сигнала u(t), зарегистрированного регистратором, к амплитуде калиброванного скачка давления Р, производится расчет чувствительности датчика давления
и сравнение ее с паспортными данными.
4
Варьируя высотой падения груза и его массой, а также подбором физико-механических свойств материалов груза и устанавливаемых на фланце сосуда прокладок, предлагаемое устройство позволяет создавать калиброванные по амплитуде скачки давления с длительностью фронта порядка нескольких десятков микросекунд (фиг. 2) и общей длительностью порядка нескольких десятков миллисекунд и выше (фиг. 3). Это дает возможность градуировать как низкочастотные, так и высокочастотные датчики давления в диапазоне частот порядка 10…10 Гц.
к
к
5
Заявляемое техническое решение реализовано в действующем макете калибровочного устройства и апробировано при калибровке датчиков давления типа ДСЛ20-6. Амплитуда U зарегистрированного электрического сигнала на его выходе, типичная форма которого показана в качестве примера на осциллограмме (фиг. 2), соответствует перепаду давления, действующему на датчик, Р=1,1⋅10 Па.