УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ ТАРИРОВКИ ДАТЧИКОВ ИМПУЛЬСНОГО ДАВЛЕНИЯ
APPARATUS FOR DYNAMIC CALIBRATION OF PULSED PRESSURE SENSORS

Изобретение относится к приборостроению, в частности к устройствам динамической тарировки датчиков давления, которые используются при исследовании быстропротекающих процессов, например, в технологии магнитно-импульсной и электрогидравлической обработки материалов. Оно может найти применение при научных исследованиях газогидродинамических процессов, при испытании узлов и механизмов в автомобильной, авиационной и других отраслях промышленности.
Известно устройство для тарировки датчиков давления в динамическом режиме с помощью установки с падающим грузом [О.В. Ястребцов//Упрощенная методика расчета параметров импульсов давления для установок с падающим грузом// Измерительная техника. - 1976, №7, С.37-38].
Импульс давления формируется при падении груза с заданной высоты на неуплотненный поршень, опирающийся на жидкость, заключенную в рабочую камеру. В камере расположены поверяемый и образцовый датчики давления. Сличение выходных сигналов двух датчиков с последующей обработкой результатов позволяет получить информацию о динамических характеристиках поверяемого датчика давления.
Недостатки устройства.
Ограниченный диапазон длительности формируемых импульсов давления, который определяется параметрами механической системы: груз-поршень-жидкость, Нестабильность формирования импульсов давления и, как следствие этого, дополнительная погрешность тарировки от взаимного положения точек центров масс груза и поршня в момент соударения, которое при практической реализации может зависеть от исходного положения и способа закрепления груза.
Известно устройство для динамической тарировки датчиков давления с помощью устройства, состоящего из емкостного накопителя, разрядника, индуктора, оболочки из хорошо проводящего материала, индукционных датчиков давления и испытуемого датчика. [А.С. №577417, МПК G01L 27/00, опубл. 25.10.1977, Бюл.№39].
Тарировка датчика импульсного давления по этому способу осуществляется с использованием энергии импульсного магнитного поля. Емкостный накопитель энергии с помощью разрядника разряжается на индуктор, вокруг которого создается импульсное магнитное поле, наводящее на электропроводящей оболочке вихревые токи. За счет сил электродинамического взаимодействия тока индуктора с вихревыми токами оболочки происходит взаимное отталкивание индуктора и оболочки. Податливая оболочка воздействует на тарируемый датчик, показания которого регистрируются осциллографом.
При этом величина давления магнитного поля, действующего на оболочку, определяется расчетным путем по разности величин индукции магнитного поля в зазоре между индуктором и оболочкой и, индукции поля, просочившегося сквозь материал оболочки.
Измерение индукции магнитного поля осуществляется с помощью двух индукционных датчиков, установленных с обеих сторон электропроводящей оболочки.
Недостатки устройства.
Способ характеризуется большой погрешностью тарировки, которая определяется малой точностью датчиков магнитного поля, взаимным расположением и конечными размерами индукционных датчиков магнитного поля, размещенных внутри и снаружи оболочки разделительного элемента, а также неравномерностью распределения магнитного поля индуктора.
При использовании магнитно-импульсного способа формирования импульсов давления на материал оболочки, для эффективной передачи давления магнитного поля через оболочку на датчик, величина скин-слоя вихревых токов, наведенных в оболочке, должна быть меньше толщины материала оболочки. С увеличением толщины оболочки увеличивается погрешность тарировки из-за неравномерного приложения давления на датчик. Уменьшение толщины оболочки ограничивает амплитуду формируемого давления за счет проникновения магнитного поля сквозь оболочку и является причиной наведенных электромагнитных помех в датчике давления.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для тарировки датчиков импульсного давления [Патент на изобретение №2261421, МПК G01L 27/00, опубл. 27.09.2005].
Устройство содержит емкостный накопитель, разрядник, индуктор, переходник, выполненный из электропроводного материала, диск из эластичного материала, мембрану из хрупкого материала, матрицу с отверстием, контейнер. В основании контейнера выполнено отверстие для установки тарируемого датчика.
Устройство обладает рядом недостатков.
Процесс тарировки трудоемкий, требующий набора большого количества калиброванных мембран. Импульс, действующий на датчик давления, проходит через несколько промежуточных элементов: матрицу, мембрану и эластичный диск, что существенно искажает профиль давления, регистрируемый датчиком. Момент прорыва мембраны в режиме динамической тарировки определяется методом последовательных приближений путем субъективной оценки после каждого разряда накопителя энергии. Кроме того, на точность тарировки влияют механические свойства материала мембраны и собственные частотные параметры.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение стабильности и точности тарировки, упрощение аппаратурной реализации и повышение помехоустойчивости устройства для динамической тарировки датчиков давления.
Поставленная задача достигается следующим образом.
В устройстве для динамической калибровки датчика давления, содержащем емкостный накопитель энергии, разрядник, индуктор и переходник, выполненный из электропроводного материала, импульс давления передается по волноводу через камеру, заполненную несжимаемой жидкостью.
Переходник представляет собой акустический волновод для передачи импульса давления в камеру с тарируемым датчиком. Переходник может быть выполнен в виде усеченного конуса с плавным переходом в цилиндрический волновод, не создающим внутренних отражений. Переходник жестко закреплен широким основанием на индукторе.
Тарируемый датчик размещается на противоположном от волновода конце камеры. Датчик давления гальванически развязан от индуктора и волновода столбом диэлектрической несжимаемой жидкости (например, керосином), что исключает искажение сигнала от импульсных электромагнитных помех, возникающих в момент разряда накопителя энергии.
Новым, согласно конструкции представленного устройства, является то, что формируемый индуктором на акустическом волноводе импульс давления передается через несжимаемую жидкость без искажений, равномерно на всю активную площадь датчика давления. В этом случае упрощается конструкция устройства, обеспечивается гальваническая развязка измерительной цепи и уменьшается погрешность тарировки.
Изменяя параметры разрядного контура накопителя энергии можно формировать импульсы давления различной амплитуды и длительности с высокой точностью. В соответствии с известными выражениями параметры импульса давления зависят от емкости накопителя энергии и напряжения заряда.
max
0
Максимальная амплитуда давления P зависит от напряжения заряда U при неизменных параметрах системы индуктор-волновод:
где k - коэффициент связи индуктор-волновод, S - эффективная площадь индуктора, C - емкость накопителя энергии.
Коэффициент k определяется расчетным путем или экспериментально при первичной калибровке устройства по образцовому датчику давления.
0
0
c
Длительность импульса давления t зависит от параметров разрядного контура: C - емкости накопителя энергии или общей индуктивности накопителя L и индуктора L.
Для устранения эффекта просачивания магнитного поля сквозь материал волновода толщина δ основания волновода, примыкающего к индуктору, должна быть больше толщины скин-слоя Δ.
где ρ - удельное электрическое сопротивление материала; µ - магнитная проницаемость материала; f - частота разрядного тока индуктора.
Выполнение волновода переменного сечения позволяет увеличить амплитуду импульса давления на входе камеры за счет концентрации интенсивности импульса на меньшей площади и выровнять неравномерность магнитного поля индуктора по сечению волновода. При использовании несжимаемой передающей жидкости в камере отпадает необходимость в согласовании акустических импендансов волновода и датчика давления. В результате повышается точность тарировки.
На фиг.1 показана конструкция устройства для динамической тарировки датчиков давления.
Устройство содержит емкостный накопитель энергии 1, который разряжается через разрядник 2 на индуктор 3. На активной плоскости спирального индуктора неподвижно закреплен акустический волновод 4, который узкой цилиндрической частью входит в камеру 5. Камера заполнена несжимаемой диэлектрической жидкостью 6. На противоположном конце камеры расположен тарируемый датчик 7. Вводы волновода и датчика давления в камеру герметизируются эластичными кольцами 8, не передающими акустические колебания на стенки камеры.
вн
вн
Для выравнивания профиля импульса давления длина L заполненной жидкостью камеры должна быть больше диаметра D внутренней полости L≥(5…10)D.
Устройство для динамической тарировки датчиков давления работает следующим образом.
Накопитель энергии 1 заряжается до требуемого уровня энергии. После чего емкостный накопитель разряжается через разрядник 2 на индуктор 3. Протекающий в индукторе импульсный ток создает магнитное поле, которое наводит в основании акустического волновода 4 вихревые токи. В результате электродинамического взаимодействия магнитного поля индуктора и вихревых токов формируется импульс давления в волноводе.
Так как волновод жестко закреплен на индукторе, то импульс давления, распространяясь по волноводу, концентрируется на противоположном конце волновода и попадает в камеру 5. Через столб несжимаемой жидкости 6 импульс давления поступает на тарируемый датчик 7. Эластичные уплотнительные кольца 8 герметизируют объем камеры и устраняют внутренние отражения от стенок камеры. По мере прохождения импульса давления в камере происходит выравнивание фронта волны и на чувствительный элемент датчика давления поступает плоская волна, равномерно распределенная по всей поверхности.
Тарировка может производиться экспериментально-расчетным методом или сличением показаний по образцовому датчику давления. Точность тарировки обеспечивается высокой стабильностью формирования импульсов давления при разряде емкостного накопителя энергии на индуктор и неизменными параметрами передающей среды системы: акустический волновод-камера с несжимаемой жидкостью.
Длительность и амплитуда формируемых импульсов давления может выбираться в широких пределах изменением параметров разряда накопителя энергии и индуктора.
Заявляемое устройство было апробировано для тарировки пьезоэлектрических датчиков давления в составе емкостного накопителя с запасаемой энергией до 3 кДж, в диапазоне частоты разрядного тока 5…20 кГц. Стабильность амплитудных и временных параметров импульсов давления составила не менее 2%.