Способ измерения давления газа внутри замкнутого объёма (полого шара)
METHOD OF MEASURING GAS PRESSURE INSIDE CLOSED VOLUME (HOLLOW SPHERE)

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к аддитивным технологиям и селективному лазерному спеканию при получении изделий из металлических и керамических порошков. Изобретение может быть использовано для измерения давления газа внутри закрытых пор в порошковых прессовках, литых или полученных по аддитивной технологии заготовках, применяемых авиационной промышленности и двигателестроении. Определение давления газа в порах позволит адекватно оценивать и прогнозировать прочностные свойства изделия в целом.
Известен способ измерения давления с помощью манометра. Манометр - измерительный прибор для измерения давления или разностей давления с непосредственным отсчетом их значений. Измеряемое давление воздействует непосредственно на чувствительный элемент прибора, который передает информацию о значении давления последующим звеньям измерительной цепи, преобразующим ее в требуемую форму. Это метод определения давления является методом прямых измерений и получил наибольшее распространение в технике измерения давления. (Хансуваров К.И. Техника измерения давления, расхода, количества и уровня жидкости, газа и пара. Учебное пособие для техникумов / К.И. Хансуваров, В.Г. Цейтлин. Москва, 1990. 287 с.).
Известен неинвазивный способ измерения артериального давления. Техника измерения артериального давления состоит в следующем: на первом этапе в манжету накачивается воздух до уровня давления, на 20 мм рт.ст., превышающего систолическое артериальное давление (САД) (т.е. до исчезновения пульса); затем давление снижается в манжете на 2 мм рт.ст. в секунду. Уровню САД соответствует давление, при котором появляется 1 тон (1-я фаза тонов Короткова; уровню диастолического давления - давление, при котором происходит исчезновение тонов (5-я фаза тонов Короткова) (Писарев М.А. Проблемы и достижения в области измерения артериального давления. Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль / М.А. Писарев. 2014. -№4(10). - с. 65-68.).
Наиболее близким является способ измерения внутриглазного давления. Тонометрия по Маклакову заключается в кратковременной установке грузика (тонометра) на роговицу глаза и получении отпечатка поверхности соприкосновения. По ее площади устанавливают показатель внутриглазного давления (Бочкарёва А.А. Глазные болезни. Учебник / А.А. Бочкарёва, Т.И. Брошевский, А.П. Нестеров, В.Г. Абрамов, Д.С.Кроль, С.Е. Стукалов, Б.Ф. Черкунов, Н.Б. Лукова; под науч. ред. А.А. Бочкаревой. Москва, 1989. 416 с.).
Недостатками вышеприведенных способов измерения давления является их пассивность, невозможность неразрушающего измерения статического давления газа внутри замкнутого сосуда (поры) малого размера.
Мы предлагаем активный метод измерения внутреннего давления в замкнутом объеме.
Техническим результатом предлагаемого способа является измерения внутреннего давления в замкнутом объеме, что позволит прогнозировать и управлять качеством получаемых изделий.
Технический результат достигается тем, что способ измерения давления газа внутри замкнутого объема (полого шара), включает приложение внешнего сжимающего или растягивающего давления на полый шар, измерение внешнего диаметра шара до и после приложения давления и расчет внутреннего давления газа внутри полого шара по формуле:
1
где р - давление газа внутри замкнутого объема (полого шара);
1
2
Δр - изменение давления газа внутри полого шара после приложения внешнего давления р, вычисляется по формуле:
12
2
R - внутренний радиус полости шара при приложении внешнего давления р, вычисляется по формуле:
12
1
1
2
R=R+A⋅Δp-B⋅р
1
1
R - внутренний радиус сферы (радиус поры) при начальном давлении р, вычисляется через объем, массу и плотность полого шара;
2
1
R - наружный радиус полого шара при начальном давлении р, измеряется напрямую;
22
2
R - наружный радиус полости шара при приложении внешнего давления р, измеряется напрямую;
А - константа, вычисляется по формуле:
В - константа, вычисляется по формуле:
С - константа, вычисляется по формуле:
D - константа, вычисляется по формуле:
Е - модуль упругости;
ν - коэффициент Пуассона.
Сущность изобретения заключается в следующем.
На фиг. приведена схема, поясняющая предложенный способ расчета внутреннего давления газа в поре в состоянии покоя (при отсутствии внешнего давления). Способ реализован путем решения задачи обратной задаче Лямэ за счет приложения внешнего всестороннего давления и измерения изменения объема при помощи предложенной формулы, связывающей внешнее, внутренне давление и геометрические размеры сферы.
1
2
1
2
22
На фиг. сплошной линией обозначены контуры сечения полой сферы при искомом давлении p при известных радиусах внешней поверхности (R) и внутренней полости (R). При приложении к полой сфере внешнего давления р, ее радиус изменяется (контуры сферы приведены пунктиром на фиг. 1). При установлении равновесия измеряется радиус внешней поверхности сферы R.
1
Искомое давление p внутри полой сферы (поры) вычисляют по выражению:
1
где р - давление газа внутри замкнутого объема (полого шара);
1
2
Δp - изменение давления газа внутри полого шара после приложения внешнего давления р, вычисляется по формуле:
12
2
R - внутренний радиус полости шара при приложении внешнего давления р, вычисляется по формуле:
12
1
1
2
R=R+А⋅Δp-В⋅р
1
1
R - внутренний радиус сферы (радиус поры) при начальном давлении р, вычисляется через объем, массу и плотность полого шара;
2
1
R - наружный радиус полого шара при начальном давлении р, измеряется напрямую;
22
2
R - наружный радиус полости шара при приложении внешнего давления р, измеряется напрямую;
А - константа, вычисляется по формуле:
В - константа, вычисляется по формуле:
С - константа, вычисляется по формуле:
D - константа, вычисляется по формуле:
Е - модуль упругости;
ν - коэффициент Пуассона.
2
1
Предложенный способ позволяет производить измерение давления внутри полости без ее вскрытия и разрушения за счет предложенной формулы, связывающей давление газа и геометрические размеры полой сферы. Внешний радиус сферы R при этом измеряется напрямую. Внутренний радиус R вычисляется исходя из измеряемых массы, объема и плотности сферы.
На данный момент не существует методов определения давления внутри замкнутых сосудов малого диаметра (пор) в изделиях, полученных по технологиям порошковой металлургии, что приводит к невозможности прогнозирования структурной динамики материала на микроуровне и обеспечения надежности и конструкционной прочности изделия в целом. Измерение давления внутри замкнутых сосудов малого диаметра (пор) позволяет оптимизировать технологические процессы изготовления изделий, управлять структурой и свойствами, избегать образования трещин на границах частиц, составляющих материал.
Таким образом, предлагаемая совокупность признаков изобретения позволяет измерять давление газа в замкнутом объеме, в том числе микроразмера, что обеспечит надежное прогнозирование свойств полученных порошковых заготовок, которые могут быть использованы в авиационной промышленности и двигателестроении.