СПОСОБ ГРАДУИРОВКИ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ ВОЗДУШНЫХ УДАРНЫХ ВОЛН
METHOD OF GRADUATION OF PRESSURE SENSORS FOR SENSING OF AIR SHOCK WAVES

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к способам градуировки датчиков давления.
Наиболее важной метрологической характеристикой при определении параметров воздушных ударных волн (ВУВ) является градуировочная характеристика датчика давления.
Градуировочная характеристика представляет собой зависимость между значениями величин на входе и выходе средства измерения в виде таблиц, графиков, формул. На практике в качестве градуировочной характеристики пользуются коэффициентом преобразования, определяемым как отношение выходного электрического сигнала (напряжения, заряда) к заданному давлению, действующему на чувствительный элемент датчика.
Существует множество способов динамической градуировки датчиков давления.
Известен способ и 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 (авторское свидетельство СССР №158125). Недостатком данного способа является то, что он позволяет калибровать только низкочастотные датчики и применим в лабораторных условиях.
Известен способ динамической градуировки датчиков давления путем создания скачка давления, состоящий в том, что газонепроницаемую камеру перегораживают диафрагмой на две части. В одну часть помещают испытуемый датчик давления и создают в ней избыточное давление относительно другой части камеры, а скачкообразное изменение давления получают путем разрушения диафрагмы (авторское свидетельство СССР №637751). Как и предыдущий аналог, данный способ может быть реализован в лабораторных условиях.
Вместе с тем, в исследовательской практике часто возникает необходимость градуировки датчиков давления в полевых условиях непосредственно перед проведением физических экспериментов, связанных с измерением давления во фронте ВУВ. Для снижения погрешностей датчиков давления, вызванных условиями эксперимента, наиболее часто проводится их градуировка в полевых условиях подрывом заряда ВВ. Формируемую подрывом заряда ВВ ударную волну, используемую для градуировки датчиков давления, обычно называют градуировочной ВУВ. Этот метод градуировки позволяет обеспечить наибольшее соответствие параметров градуировочной ВУВ реальным условиям измерения.
ф
ф
ф
2
Известен способ градуировки датчиков давления, базирующийся на использовании зависимости давления во фронте воздушной ударной волны от скорости ее распространения (Полуэктов Ю.Н., Мясников О.А. Отечественные и зарубежные методы градуировки средств измерений параметров воздушных ударных волн (обзор). ЦНИИНТИ, 1984, с. 35; Садовский М.А. Геофизика и физика взрыва. М.: Наука, 1999, с. 9-15). В данном способе скорость фронта ВУВ в точке расположения датчика определяют путем измерения интервала времени, в течение которого фронт ВУВ проходит строго фиксированное расстояние. По полученному значению скорости, используя известные соотношения газодинамики, рассчитывают избыточное давление Δp во фронте ВУВ, воздействующее на датчик. Затем по соотношению амплитуды выходного электрического сигнала датчика и значению воздействующего на него избыточного давления определяют коэффициент преобразования датчика. Недостатком данного способа градуировки является невысокая точность, вызванная в основном методической ошибкой в определении Δp, которая достигает величины ±20% в области давлений 20≥Δp≥1 кг/см (Садовский М.А. Геофизика и физика взрыва. М.: Наука, 1999, с. 15).
Более высокую точность, по сравнению с перечисленными способами, дает способ градуировки и испытаний датчиков давления путем воздействия на них столба жидкости (патент №2480725). Градуировку низкочувствительного датчика в рассматриваемом способе осуществляют поэтапно с использованием эталонного высокочувствительного датчика. При этом камеру с жидкостью и помещенным в нее эталонным высокочувствительным датчиком давления сбрасывают на подстилающую поверхность с заданной жесткостью. Амплитуду давления удара определяют по установленной зависимости через калиброванный (образцовый) скачок гидростатического давления. Затем, не меняя высоты сброса камеры, определяют датчик с наименьшей чувствительностью, который может быть отградуирован предлагаемым способом с приемлемой точностью. Увеличивая высоту сброса и жесткость подстилающей поверхности, за несколько циклов осуществляют его градуировку. Несмотря на расширенный диапазон измеряемых давлений и более высокую точность измерений, реализация такого способа на практике является технически более сложной задачей.
Известен также способ калибровки датчиков импульсного давления и проверки их работоспособности (патент №2469284), обеспечивающий повышение энергетической эффективности и производительности процесса калибровки. Этот способ основан на сравнении показания калибруемого датчика с амплитудой давления воздействующей на него сферической ударной волны, формируемой лазерным пробоем воздуха, что существенно усложняет и повышает затраты на проведение калибровочного эксперимента.
ф
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, следует считать способ градуировки датчиков давления с помощью взрыва эталонного заряда взрывчатого вещества (Полуэктов Ю.Н., Мясников О.А. Отечественные и зарубежные методы градуировки средств измерений параметров воздушных ударных волн (обзор). ЦНИИНТИ, 1984, с. 33). Сущность данного способа градуировки заключается в том, что эталонный сферический заряд взрывчатого вещества (ВВ) с известной массой, плотностью и удельной энергией подрывают на строго фиксированном расстоянии датчика давления, регистрируют электрический сигнал u(t) выхода датчика, возникающий под действием давления во фронте падающей ВУВ, и измеряют его амплитуду U. Затем по известным значениям массы, плотности, удельной энергии заряда ВВ и расстоянию от центра взрыва до градуируемого датчика, с использованием эмпирических формул М.А. Садовского рассчитывают величину избыточного давления Δp во фронте ВУВ. Коэффициент преобразования датчика определяют из соотношения:
Недостатком данного способа градуировки является невысокая точность, обусловленная тем, что точность формул М.А. Садовского в определении давления по разным источникам не превышает 15-30% (Гельфанд Б.Е., Сильников М.В. Фугасные эффекты взрывов. - СПб.: ООО «Издательство «Полигон», 2002, с. 41). Вызвано этот тем, что эмпирические коэффициенты в данных формулах получены для стандартных атмосферных условий и неизвестна их зависимость от состояния атмосферы. Кроме того, они не учитывают химические потери, вызванные неполным разложением поверхностных слоем заряда ВВ.
Задачей технического решения является разработка способа, направленного на повышение точности градуировки датчиков давления ВУВ.
ф
Поставленная задача решается благодаря тому, что непосредственно за градуируемым датчиком давления, на расстоянии соизмеримом с продольным размером его чувствительного элемента, устанавливают ориентированную нормально на центр взрыва плоскую жесткую преграду (фиг. 1), а избыточное давление во фронте падающей градуировочной ВУВ Δp определяют расчетным путем через коэффициент отражения как отношение
2
1
амплитуд U и U зарегистрированного датчиком сигнала u(t), которые соответствуют избыточным давлениям во фронте отраженной от преграды и падающей волн. Такое техническое решение обеспечивает исключение погрешностей в определении избыточного давления, вызванных условиями подрыва заряда (наземный или воздушный взрыв), химическими потерями, состоянием атмосферы и точностью измерения расстояния от датчика до центра взрыва.
Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами, на которых:
Фиг. 1 схематично иллюстрирует постановку эксперимента, реализующего способ осуществления градуировки датчиков давления ВУВ;
Фиг. 2 иллюстрирует качественный вид зависимости изменения давления P(t) от времени t, соответствующий зарегистрированному датчиком сигналу u(t).
Заявляемый способ базируется на соотношении для расчета давления во фронте ВУВ, нормально отраженной от абсолютно жесткой преграды, известном в теории ударных волн как формула Измайлова-Крюссара (Яковлев Ю.С. Гидродинамика взрыва. Л.: Судпромгиз, 1961, с. 89):
где
Δp<sub>отр</sub> - избыточное давление во фронте отраженной ВУВ;
ф
Δp - избыточное давление во фронте падающей (прямой) ВУВ;
0
p - атмосферное давление.
Из соотношения (3) следует:
где  - коэффициент отражения.
ф
2
Приведенными зависимостями можно пользоваться с приемлемой для практики точностью при Δр≤40 кгс/см (Яковлев Ю.С. Гидродинамика взрыва. Л.: Судпромгиз, 1961, с. 90).
0
1
2
ф
отр
отр
отр
ф
2
1
ф
Градуировку датчика заявленным способом производят в следующей последовательности. Заряд ВВ 3, размещенный на подставке 4, и датчик давления 1 устанавливают на некотором расстоянии друг от друга. Непосредственно перед датчиком давления, на расстоянии, соизмеримом с продольным размером его чувствительного элемента, размещают жесткую преграду 2, нормально ориентированную на центр взрыва. Измеряют барометром атмосферное давление p и производят подрыв заряда ВВ. Возникшая при взрыве заряда ВУВ через некоторое время достигает датчика давления и воздействует на чувствительный элемент. Распространяясь далее, ВУВ достигает преграды, отражается от нее и, двигаясь в обратном направлении, вновь воздействует на чувствительный элемент датчика. На выходе датчика появляется сигнал u(t), который записывается регистрирующим устройством 5. Измерив амплитуды U и U выходного сигнала u(t), соответствующие избыточным давлениям во фронте Δр и Δр падающей и отраженной от преграды волн, определяют коэффициент отражения k=Δр/Δр=U/U. Затем по формуле (4) определяют избыточное давление Δр во фронте падающей ВУВ и по формуле
рассчитывают коэффициент преобразования (1) датчика.
Меняя расстояние между зарядом ВВ и точкой установки датчика или массу заряда ВВ осуществляют градуировку датчика в определенном диапазоне давлений.
ф
отр
1
2
Параметры Δр и Δр падающей и отраженной ВУВ, пропорциональные амплитудам U и U регистрируемого сигнала u(t), иллюстрирует представленная на фиг. 2 зависимость P(t) изменения давления от времени.