СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ ИЛИ ГАЗА ВНУТРИ ТОНКОСТЕННОЙ ГЕРМЕТИЧНОЙ МЯГКОЙ ОБОЛОЧКИ
METHOD FOR MEASURING FLUID OR GAS PRESSURE INSIDE THIN-WALLED VACUUM SOFT SHELL

Изобретение относится к неразрушающим контактным способам измерения давления жидкости или газа внутри тонкостенной герметичной мягкой оболочки, у которой силы упругих деформаций, возникающие в стенках при их изгибе, пренебрежимо малы по сравнению с силами упругих деформаций, возникающими при растяжении или сжатии стенок, и может найти широкое применение при изготовлении высокоточных приборов, измеряющих давление жидкости или газа внутри тонкостенных оболочек.
Данный способ применим не только для измерения давления жидкости или газа внутри тонкостенных оболочек, но также и любых оболочек, у которых имеется небольшая пологая выпуклая мягкая зона. Изобретение может найти применение в офтальмологии при изготовлении тонометров - приборов для измерения внутриглазного давления, поскольку глаз можно представить как герметичную, состоящую из склеры и роговицы оболочку, заполненную несжимаемой жидкостью. Роговица при этом представляет собой мягкую тонкостенную оболочку.
Известен способ бесконтактного измерения внутриглазного давления (1), для чего измерение величины деформации роговицы глаза осуществляют путем непрерывного формирования акустических импульсов с помощью излучателя, выполненного фокусирующим с кольцевой апертурой и пневмосоплом, расположенным в отверстии излучателя по оси зонда, последующего приема отраженных от глаза сигналов и определения по ним расстояния до глаза. При этом юстировку измерительной системы осуществляют путем перемещения ее в сторону глаза, а формирование пневмоимпульса осуществляют в момент совпадения замеренного расстояния до глаза с заданным и фиксации системы. После этого измеряют деформацию глаза в промежуток времени 5-20 мс по истечении действия пневмоимпульса, затем рассчитывают давление по формулам. Однако описанный метод имеет значительную погрешность измерения вследствие использования приближенных формул, а сам прибор для измерения давления имеет достаточно сложную конструкцию.
Наиболее близким по принципу действия, но значительно менее точным прибором для измерения внутриглазного давления является Тонометр Гольдмана (2). Принцип его действия заключается в следующем. Роговица глаза деформируется цилиндром с плоским основанием. При этом образуется круг сплющивания - зона соприкосновения цилиндра и роговицы. Сила давления цилиндра подбирается таким образом, чтобы диаметр зоны соприкосновения составил 3.06 мм. Далее внутриглазное давление определяется по следующей формуле:
где F - сила давления цилиндра на роговицу глаза, S - площадь зоны соприкосновения, r - радиус зоны соприкосновения.
В процессе контактного измерения давления жидкости или газа внутри оболочки измеряется не первоначальное искомое давление, а давление в оболочке после деформации ее прибором измерения. Чем больше деформация оболочки прибором измерения, тем больше разница между давлением внутри оболочки первоначальной формы и внутри деформированной прибором измерения оболочки. Таким образом, чем сильнее воздействие прибора на оболочку, тем выше погрешность измерений.
Тонометр Гольдмана значительно деформирует роговицу, поэтому точность его измерения невысока. Повысить его точность изменением радиуса зоны соприкосновения невозможно, поскольку при увеличении зоны соприкосновения увеличивается деформация глаза в процессе измерения и увеличивается погрешность измерения внутриглазного давления. При уменьшении зоны соприкосновения увеличивается относительная погрешность измерения радиуса зоны контакта r и, в свою очередь, опять же увеличивается погрешность измерения внутриглазного давления.
Цель изобретения - повышение точности измерение давления жидкости или газа внутри тонкостенных герметичных мягких оболочек.
Поставленная задача решается способом измерения давления жидкости или газа внутри тонкостенной герметичной мягкой оболочки, заключающемся в том, что на стенке оболочки, наполненной жидкостью или газом, в которой проводится измерение, выбирают произвольную точку, в которой стенка оболочки тонкая и имеет пологую выпуклую форму, и прижимают к ней вторую эталонную тонкостенную оболочку округлой формы, наполненную жидкостью или газом, к которой подключен насос с высокоточным датчиком давления - манометром (рис.1). При помощи насоса давление жидкости или газа внутри эталонной оболочки можно произвольно изменять и поддерживать. В зоне соприкосновения оболочек (рис.2 (а) и (б)) образуется некоторый прогиб стенок оболочек, направленный внутрь основной оболочки, если давление жидкости или газа внутри ее меньше, чем давление жидкости или газа внутри эталонной оболочки. И наоборот, прогиб образуется внутрь эталонной оболочки в случае, если давление внутри основной оболочки выше. В стенках оболочек в зоне соприкосновения возникает сила упругости F, перпендикулярная стенках оболочек в каждой точке и направленная в сторону оболочки с большим внутренним давлением. Эта сила уравновешивает разницу давлений внутри оболочек.
Далее давление внутри эталонной оболочки изменяется при помощи насоса таким образом, чтобы зона соприкосновения стала плоской, т.е. ее кривизна в каждой точке зоны соприкосновения стала равна нулю (рис.2(в)). При этом в зоне соприкосновения в стенках оболочек исчезнут упругие силы, действующие перпендикулярно стенкам, и давление жидкости или газа внутри основной оболочки будет уравновешиваться только давлением жидкости или газа внутри эталонной оболочки. Т.е. давления внутри оболочек сравняются, таким образом, манометр эталонной оболочки покажет искомую величину давления жидкости или газа внутри основной оболочки.
Условием того, что при равенстве давлений в основной и эталонной оболочках зона соприкосновения станет плоской, является растяжение в этот момент стенки эталонной оболочки в каждой точке зоны соприкосновения. Для выполнения данного условия эталонная оболочка в нерастянутом состоянии должна иметь нулевую кривизну в направлении, перпендикулярном стенке в каждой точке, т.е. должна иметь форму мембраны.
Преимуществом данного способа измерения давления жидкости или газа внутри тонкостенной герметичной мягкой оболочки является высокая точность, поскольку с его помощью можно производить измерения давления при сколь угодно малых деформациях оболочки, что достигается уменьшением радиуса зоны соприкосновения оболочки с эталонной оболочкой.
Использованная литература
1. АС СССР №1697721, 1988 г.
2. Goldmann H.V., Schmidt T. Uber Applanationstonometrie. Ophthalmologica 134, 1957, c.221-242.