ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КРИВИЗНЫ КАНАЛОВ

Предлагаемое устройство относится к области измерительной техники, а именно к системам и устройствам измерения деформации твердых тел.
Известные методы и средства измерения механических величин очень разнообразны [1]. В частности, известны датчики для измерения кривизны балок, оболочек и других механических объектов, например, тензодатчики серии DD фирмы ООО «Японские измерительные технологии» (Токио, Япония) [2]. Они наклеиваются на поверхность объекта, кривизну или изгиб которого необходимо измерить и по изменению их электрического сопротивления судят о знаке и величине изгиба. Их преимущество заключается в том, что они малы по размерам и могут быть использованы для контроля малых объектов. Однако, эти датчики невозможно использовать для измерения кривизны каналов малых диаметров, т.к. невозможно присоединить их к поверхности канала, в достаточно удаленном от края канала месте. Кроме того, они непригодны для использования в жестких условиях высокой температуры и радиации.
Известно техническое решение, позволяющее измерять кривизну в условиях агрессивных сред и высоких температур [3]. Однако это устройство имеет очень большие габариты, и не может быть использовано для измерения в технологических каналах малых диаметров.
Наиболее близкими по конструкции к заявляемому техническому решению является служащее прототипом предлагаемого технического решения семейство датчиков угловых смещений, приведенное в [4]. Прототип содержит подложку для крепления к объекту, угловое смещение или кривизну которого необходимо измерить, и сенсоры (тензодатчики), прикрепленные к подложке и соединенные с электрической схемой. Электрическая схема измеряет сопротивление сенсора, которое изменяется в зависимости от углового смещения в объекте. Такое устройство может быть использовано для измерения изгиба или кривизны объекта. При изгибе поверхности объекта происходит изменение углов ориентации нормали к поверхности. Это изменение передается на подложку прикрепленную к объекту (если необходимо измерить изгибную деформацию объекта) или перемещаемую по объекту (если измеряется кривизна поверхности объекта). Подложка деформируется и, в свою очередь, передает деформацию сенсору. Подложка служит основанием для сенсора и одновременно упругим элементом, преобразующим измеряемую деформацию в полезную деформацию сенсора. Недостатки прототипа заключаются в том, что, закрепить подложку внутри узкого канала не представляется возможным. Кроме того, использование тензорезистивной схемы измерения практически невозможно в условиях высоких температуры и радиации.
Технический результат предлагаемого изобретения направлен на создание измерительного устройства, способного измерять с достаточной точностью изгибную деформацию технологических каналов на работающем ядерном реакторе или другом объекте с жесткими условиями работы.
Результат достигается тем, что датчик для измерения углов поворота сечений канала и его кривизны, содержащий подложку и сенсор, прикрепленный к подложке и соединенный с электрической схемой, - снабжен щупом, имеющим форму трубки, в которую плотно вставлена подложка, имеющая форму стержня, сенсором является тензочувствительный резонатор, выполненный из пьезокристаллического материала и расположенный между внутренней поверхностью щупа и срединной поверхностью стержня, ось чувствительности резонатора направлена вдоль оси щупа, а внешняя поверхность щупа находится в механическом контакте с поверхностью измеряемого канала, что обеспечивается, например, выбором диаметра щупа и/или выполнением выступов на его поверхности.
Такое техническое решение позволяет использовать щуп одновременно, как защитный корпус и упругий элемент, воспринимающий изгибную деформацию канала, и передающий эту деформацию стержню, который, в свою очередь, преобразует эту деформацию в деформацию растяжения-сжатия тензочувствительного пьезокристаллического резонатора. Использование пьезокристаллического материала для реализации резонатора дает возможность устройству работать в условиях повышенных температуры и радиации, т.к. кристаллы более устойчивы к этим факторам, чем аморфные материалы. Кроме того, колебания резонатора в этом случае возбуждаются с использованием переменного электрического напряжения, подаваемого по линии связи из электронной схемы. Расположение резонатора между внутренней поверхностью щупа и срединной поверхностью стержня и ориентация оси чувствительности резонатора вдоль оси трубки обеспечивают преобразование изгибной деформации стержня в деформацию растяжения-сжатия резонаторов и полезное изменение частоты резонаторов. Механический контакт между поверхностью щупа и поверхностью объекта измерения в нескольких точках вдоль длины щупа необходим для надежной передачи изгибной формы объекта - щупу и далее стержню с тем, чтобы эта форма была преобразована стержнем и резонатором в изменение резонансной частоты.
Поперечные размеры (диаметры) трубки и стержня могут быть практически сколь угодно малыми, что существенно расширяет возможности устройства при измерениях в каналах малых диаметров.
Изобретение иллюстрируется следующими фигурами.
Фиг. 1. Конструкция датчика с квадратным сечением подложки.
Фиг. 2. Датчик с круглым сечением подложки в измеряемом канале и контактом между щупом и каналом по поверхности.
Фиг. 3. Датчик с круглым сечением подложки в измеряемом канале и контактом между щупом и каналом по выступам на щупе.
Конструкция заявляемого датчика в одном из возможных вариантов исполнения устроена следующим образом. В щуп 1 в форме трубки (Фиг. 1) помещена подложка 2, выполненная в форме стержня. Стержень может иметь квадратное (или прямоугольное) сечение, как на Фиг. 1, или круглое с лыской 6 под резонатор 3, как на Фиг. 2 и 3. Необходимо лишь, чтобы между стержнем и трубкой был плотный механический контакт. К поверхности подложки 2 прикреплен тензочувствительный резонатор 3, выполненный из пьезокристаллического материала и соединенный линией связи 4 с электронной схемой 5 (Фиг. 2 и 3). Стержень выполнен из того же пьезокристаллического материала, что и резонатор. Это необходимо, чтобы согласовать их температурные коэффициенты. Иначе в резонаторе в условиях высоких температур возникают большие температурные напряжения, что приводит к большой погрешности измерения и даже нарушению прочности и работоспособности. Впрочем, возможно исполнение стержня из другого материала. Но при этом необходимо, чтобы температурные коэффициенты материалов резонатора и стержня были согласованы. При измерении датчик помещается в канал 7, изгибную деформацию которого необходимо измерить (Фиг. 2 и 3). При этом щуп 1 находится в механическом контакте с внутренней поверхностью измеряемого канала 7 либо по поверхности, как показано на Фиг. 2, либо по поверхности выступов 8, 9 и 10, выполненных на щупе 1, как показано на Фиг. 3. Электронная схема 5 представляет собой анализатор частотного спектра резонатора или измеритель его резонансной частоты.
Устройство работает следующим образом. Будучи помещенным в изогнутый канал 7, щуп 1, благодаря контактам по всей поверхности (как на Фиг. 2) или в точках 8, 9 и 10 (как на Фиг. 3), принимает форму канала. Соответственно щуп принимает деформацию изгиба и передают эту деформацию подложке 2. Вследствие этого тензочувствительный резонатор 3 растягивается (или сжимается в зависимости от знака изгибного смещения). Растяжение (сжатие) тензочувствительного резонатора 3 приводит к изменению Δf резонансной частоты резонатора 3. Это изменение поступает на выход электронной схемы 5 как мера изгиба канала.
Предложенное техническое решение позволяет реализовать систему измерения кривизны технологических каналов работающего реактора, благодаря использованию термостойких и радиационно стойких высокоточных кварцекристаллических тензочувствительных резонаторов в соответствии с теми техническими признаками, которые перечислены в формуле.
Источники информации.
1. http://xeon128.narod.ru/lection/5.htm
2. http://www.tmljp.ru/files/
3. Патент РФ №1384935.
4. Патент США №5086785.