ультразвуковой наклономер
Классы МПК: | G01C9/22 с сообщающимися сосудами, находящимися в постоянном взаимоположении G01C9/18 с помощью жидкости |
Автор(ы): | Виноградов С.А., Трофимов А.И. |
Патентообладатель(и): | Обнинский институт атомной энергетики |
Приоритеты: |
подача заявки:
1994-04-27 публикация патента:
20.07.1997 |
Сущность изобретения: ультразвуковой наклономер содержит корпус, частично заполненный жидкостью с большим удельным весом и разделенный перегородкой на две равные емкости так, что жидкость сообщается в нижней части корпуса, измерительные трубки, гидравлически связанные соответственно с каждой из емкостей полости корпуса, жидкость с малым удельным весом, заполняющую оставшуюся часть емкостей, а также половину объема измерительных трубок, перепускной клапан, пьезоизлучатели, размещенные в основании каждой из измерительных трубок в плоскости основания трубок, измерительный блок, внутренняя полость корпуса выполнена в виде сферы, жидкость с большим удельным весом заполняет полость корпуса ровно наполовину. Диаметр измерительных трубок выбран из соотношения:
- коэффициент поверхностного натяжения жидкости в измерительных трубках,
- плотность жидкости в измерительных трубках, g - ускорение свободного падения, q - краевой угол смачивания между жидкостью в измерительных трубках и материалом стенок измерительных трубок. Диаметр измерительных трубок в ближней зоне Xбл пьезоизлучателей, определяемой как Xбл= r2 F/C, где F и С - частота и скорость распространения ультразвуковой волны соответственно, равен диаметру пьезоизлучателя. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
![ультразвуковой наклономер, патент № 2084823](/images/patents/388/2084823/2084823t.gif)
![ультразвуковой наклономер, патент № 2084823](/images/patents/388/2084034/961.gif)
Формула изобретения
Ультразвуковой наклономер, содержащий корпус, частично заполненный двумя жидкостями с разным удельным весом и разделенный перегородкой на две равные емкости так, что первая жидкость с большим удельным весом сообщается в нижней части корпуса, а вторая жидкость с меньшим удельным весом заполняет оставшуюся часть емкостей, а также половину объема измерительных трубок, связанных соответственно с каждой из емкостей полости корпуса, перепускной клапан, пьезоизлучатели, размещенные в основании каждой из измерительных трубок в плоскости основания трубок, измерительный блок, отличающийся тем, что в нем внутренняя полость корпуса выполнена в виде сферы, первая жидкость заполняет полость корпуса ровно наполовину, а диаметр капилляра измерительных трубок выбран из соотношения![ультразвуковой наклономер, патент № 2084823](/images/patents/388/2084823/2084823-6t.gif)
где
![ультразвуковой наклономер, патент № 2084823](/images/patents/388/2084014/963.gif)
![ультразвуковой наклономер, патент № 2084823](/images/patents/388/2084034/961.gif)
g ускорение свободного падения;
![ультразвуковой наклономер, патент № 2084823](/images/patents/388/2084034/920.gif)
Хбл=r2 F/C,
где F и C частота и скорость распространения ультразвуковой волны во второй жидкости;
r радиус пьезоизлучателя,
равен диаметру пьезоизлучателя.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области измерительной техники и служит для определения углов наклона различных объектов в широком /![ультразвуковой наклономер, патент № 2084823](/images/patents/388/2084008/177.gif)
![ультразвуковой наклономер, патент № 2084823](/images/patents/388/2084823/2084823-3t.gif)
где
![ультразвуковой наклономер, патент № 2084823](/images/patents/388/2084014/963.gif)
r плотность жидкости в измерительных трубках;
g ускорение свободного падения;
q краевой угол смачивания между жидкостью в измерительных трубках и материалом стенок измерительных трубок. Кроме того, указанный технический результат достигается за счет того, что диаметр измерительных трубок на выходе капилляра в ближней зоне Xбл пьезоизлучателей, определяемой как Xбл=r2 F/C, где: F и C - частота и скорость распространения ультразвуковой волны соответственно, равен диаметру пьезоизлучателя. На фиг. 1 изображена схема конструкции предлагаемого наклономера. На фиг. 2 показана модель для расчета диаметра измерительных трубок. На фиг. 3 показана зависимость предлагаемой величины диаметра измерительных трубок от величины краевого угла смачивания между жидкостью и стенками измерительных трубок как графическая иллюстрация предлагаемой формулы. Наклономер содержит корпус 1 в виде сферы, до половины заполненной жидкостью с большим удельным весом 2 и разделенной перегородкой 3 на две равные емкости 4,5 так, что жидкость 2 сообщается в нижней части корпуса, измерительные трубки 6, 7, гидравлически связанные соответственно с каждой из емкостей полости корпуса, жидкость с малым удельным весом 8, заполняющую оставшуюся часть емкостей 4, 5, а также половину объема измерительных трубок 6, 7, перепускной клапан 9, пьезоизлучатели 10, 11, размещенные в основании каждой из измерительных трубок в плоскости основания трубок, измерительный блок 12. Для предотвращения перетекания жидкости 8 между измерительными трубками они отделены друг от друга перегородкой 13 с малым отверстием в случае вакуума в свободном пространстве над жидкостью 8. Измерительные трубки 6, 7 выполнены с внутренним диаметром Дкап с таким расчетом, чтобы даже при горизонтальном расположении трубок /угол наклона 90o/ мениск 14 жидкости 8, служащий границей отражения ультразвука, сохранял свою форму и располагался ортогонально оси измерительных трубок, см. фиг. 2, здесь 1 измерительная трубка, 2 жидкость, 3 мениск. В ближней зоне Хбл измерительная трубка выполнена с диаметром D, равным диаметру пьезоизлучателя. Наклономер работает следующим образом. При наклонах корпуса 1, к примеру, вправо, жидкость 2 занимает новое относительно корпуса положение, что приводит к вытеснению более легкой жидкости 8 в измерительную трубку 7 с приращением столба, равным отношению проходных сечений емкости 5 и трубки 7. Указанное приращение берется относительно приращения уровня жидкости 2. Точно такое же приращение, но с обратным знаком происходит в измерительной трубке 6. Измерение уровней жидкости в измерительных трубках осуществляется времяимпульсным методом посредством ультразвуковой локации с помощью пьезоизлучателей 10, 11 и измерительного блока 12, измеряющего временные промежутки прохождения ультразвука от пьезоизлучателей до границы раздела жидкость воздух и обратно. Измеренные временные интервалы пропорциональны углу наклона и могут обрабатываться как по прямой, так и по дифференциальной схеме. Устойчивость мениска определяется из следующих соотношений. Как известно из физики, силы поверхностного натяжения создают подповерхностное давление Pмн= 2
![ультразвуковой наклономер, патент № 2084823](/images/patents/388/2084014/963.gif)
![ультразвуковой наклономер, патент № 2084823](/images/patents/388/2084014/963.gif)
Rмн радиус мениска. Следовательно, основным условием устойчивости мениска в трубке будет его сферичность, которая достигается при значении краевого угла смачивания между жидкостью и стенками измерительной трубки q в пределах от 90 до 180o, а также соответствующим диаметром капилляра. Чем больше значение q, тем устойчивее мениск и тем меньше должен быть диаметр трубки, см. фиг. 2. Вогнутый мениск (при q в пределах от 0 до 90o) способствует рассеиванию ультразвуковой волны и поэтому не рассматривается. Из рассмотрения треугольника ABC на фиг. 2 следует, что при заданном краевом угле смачивания q внутренний диаметр измерительной трубки Dкап связан с радиусом мениска Rмн соотношением:
![ультразвуковой наклономер, патент № 2084823](/images/patents/388/2084823/2084823-4t.gif)
Условием устойчивости мениска в наклонной трубке является превышение капиллярного давления Pкап над гидростатическим давлением, создаваемым столбом жидкости с высотой, равной диаметру трубки Dкап. Условие записывается как 2
![ультразвуковой наклономер, патент № 2084823](/images/patents/388/2084014/963.gif)
![ультразвуковой наклономер, патент № 2084823](/images/patents/388/2084034/961.gif)
![ультразвуковой наклономер, патент № 2084823](/images/patents/388/2084014/183.gif)
где
![ультразвуковой наклономер, патент № 2084823](/images/patents/388/2084034/961.gif)
g ускорение свободного падения. После подстановки сюда выражения для Pмн, полученного ранее, получим условие устойчивости мениска в наклонной трубке:
![ультразвуковой наклономер, патент № 2084823](/images/patents/388/2084823/2084823-5t.gif)
Так как сильное сужение капилляра затрудняет прохождение ультразвукового импульса, полученное соотношение принимается как самое оптимальное для капиллярно-жидкостных волноводов и при выборе диаметра трубки знак "меньше" заменяется на знак "=". На фиг. 3 показана графическая иллюстрация полученной зависимости для трех различных жидкостей: ртуть, глицерин, вода. Представленные зависимости охватывают все возможное разнообразие материалов измерительных трубок, не смачиваемых перечисленными жидкостями, и наглядно иллюстрируют рассчитанное условие устойчивости мениска в капиллярах. Устойчивость границы отражения ультразвуковой волны во всем диапазоне углов наклона наклономера позволяет получить стабильный отраженный сигнал во всем диапазоне измерения, что повышает точность измерения углов по сравнению с известными приборами. Т. к. в ближайшей зоне ультразвукового пучка Хбл., определяемой как Хбл= r2 F/C, где F и С частота и скорость распространения ультразвуковой волны соответственно, акустическое поле ультразвуковой волны осциллирует вдоль осей Z, X, Y, диаметр измерительной трубки в ближайшей зоне равен диаметру пьезоэлемента. Такое решение позволяет получить максимальную амплитуду акустического поля в устье капилляра, а также на выходе из капилляра после отражения ультразвуковой волны от мениска, что также повышает точность измерений. Использование капиллярных эффектов позволяет существенно повысить точность и расширить диапазон измерения углов вплоть до 90o без существенного ослабления амплитуды отраженного сигнала во всем диапазоне. Выполнение корпуса в виде сферы и заполнение его тяжелой жидкостью ровно наполовину позволяет получить практически линейную зависимость приращения уровня жидкости в измерительных трубках в зависимости от угла наклона. Узкое сечение измерительных трубок позволяет достичь высокого коэффициента приращения (20 30 раз) уровня легкой жидкости при переходе из широкой части корпуса в узкую относительно приращения уровня тяжелой жидкости при незначительном диаметре корпуса наклономера. Такой коэффициент трансформации соответствует чувствительности наклономера порядка 2 3". Наклономер может также быть использован в режиме обычного гидростатического нивелира при открытом перепускном клапане 9. В этом случае уровень жидкости 8 служит гравитационно-чувствительной границей раздела, база измерения равна расстоянию между измерительными трубками, а тяжелая жидкость играет роль гравитационно-чувствительного балласта со своим собственным периодом успокоения, что ускоряет реакцию наклономера на угловое смещение. Используемыми жидкостями, к примеру, могут быть пары тетрабромэтан-вода, сплав вода-трансформаторное масло, ртуть-масло. Использование изобретения позволяет существенно повысить точность измерения угловых смещений в широком диапазоне углов, что особенно важно при инклинометрии технологических каналов ядерных реакторов и буровых скважин.
Класс G01C9/22 с сообщающимися сосудами, находящимися в постоянном взаимоположении
способ определения угла наклона плоскости - патент 2521270 (27.06.2014) | ![]() |
датчик угла наклона - патент 2397443 (20.08.2010) | ![]() |
гидроуровень - патент 2338156 (10.11.2008) | ![]() |
динамико-статический жидкостной нивелир - патент 2303764 (27.07.2007) | ![]() |
Класс G01C9/18 с помощью жидкости
датчик угла наклона - патент 2517785 (27.05.2014) | ![]() |
датчик угла наклона - патент 2475703 (20.02.2013) | ![]() |
датчик угла отклонения от вертикали - патент 2392585 (20.06.2010) | |
магнитострикционный двухкоординатный наклономер - патент 2389975 (20.05.2010) | ![]() |
датчик углов наклона объекта - патент 2330241 (27.07.2008) | ![]() |
уровень строительный - патент 2312307 (10.12.2007) | ![]() |
датчик угла отклонения от вертикали - патент 2247943 (10.03.2005) | ![]() |
датчик угла наклона - патент 2245518 (27.01.2005) | ![]() |
ультразвуковой датчик угла отклонения от вертикали с частотным выходом - патент 2212631 (20.09.2003) | |
двухкоординатный датчик угла отклонения от вертикали - патент 2175755 (10.11.2001) |