Пристрій для вимірювання об’єму тіла довільної форми

Реферат: Пристрій для вимірювання об'єму тіла довільної форми містить першу трубу, на одному кінці якої розташовано акустичний випромінювач і акустичний приймач, а на іншому - замкнену вимірювальну камеру з денцем, яке знімається для введення у камеру зразку чи деталі, і другу трубу, на одному кінці якої розташовано акустичний випромінювач і акустичний приймач, а на іншому - замкнену еталонну камеру. Обидва акустичних випромінювачі підключені до генератора гармонійних сигналів звукової частоти. Обидва акустичних приймачі підключені до вольтметра. Денце еталонної камери з'єднано з мікрометричним гвинтом. UA 81533 U (54) ПРИСТРІЙ ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯ ОБ'ЄМУ ТІЛА ДОВІЛЬНОЇ ФОРМИ UA 81533 U UA 81533 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до вимірювання об'єму тіла довільної форми і може бути використана у галузі порошкової металургії, машинобудування та ін. для визначення об'єму та щільності зразків і деталей з пористих порошкових матеріалів. Вимірювання об'єму тіла довільної форми зазвичай виконується методом гідростатичного зважування. Цей метод клопіткий та має суттєві недоліки: принципову необхідність занурювати тіло у рідину та значну похибку при вимірюванні об'ємів пористих тіл. Просочування поверхні пористих тіл непроникною для рідини речовиною, наприклад парафіном, не усуває недолік повністю, та ще й вносить додаткову похибку. Відомі пристрої для вимірювання внутрішнього об'єму тіл довільної форми, які базуються на акустичному резонансі повітря в замкненому об'ємі та містять акустичний випромінювач, наприклад гучномовець, та приймач звукових хвиль, наприклад мікрофон. Найбільш близьким до заявленого технічного рішення є пристрій для вимірювання об'єму (Мирюк Ю.П., Монастырский СМ., Полунов Ю.Л., Янбулатов Р.И. Прибор для измерения объема образцов. - Порошковая металлургия, 1985. - № 9. - С. 100-102), що містить першу трубу, з одного кінця якої розміщено перший акустичний випромінювач та перший акустичний приймач, а з іншого - замкнену вимірювальну камеру, денце якої відкривається для введення зразка, об'єм якого треба виміряти, та другу трубу, з одного кінця якої розміщено другий акустичний випромінювач та другий акустичний приймач, а з другого - замкнену еталонну камеру, причому акустичні випромінювачі підключені до генератора сигналів звукової частоти, а акустичні приймачі - до електронного блока, який віднімає напругу сигналу з першого акустичного приймача від напруги сигналу з другого акустичного приймача та за величиною результуючої напруги дає змогу судити про об'єм зразка, тобто прилад побудовано за диференціальною схемою. Перед початком роботи зміною частоти сигналу живлення акустичного випромінювача обидві камери налаштовують у резонанс за максимумом сигналу з акустичного приймача. При цьому сигнали з обох акустичних приймачів теоретично мають бути однаковими, тож їх різниця дорівнюватиме нулю. Коли у вимірювальну камеру вміщують зразок або деталь, об'єм якої треба виміряти, резонансна частота цієї камери змінюється, і сигнал з акустичного приймача вимірювальної камери вже не буде компенсувати сигнал з акустичного приймача еталонної камери. Різниця цих сигналів буде залежати від об'єму деталі, яку вміщено у вимірювальну камеру, і навпаки, за різницею сигналів при належному градуюванні приладу можна визначити об'єм деталі у вимірювальній камері. Недоліками вказаного пристрою є низька точність вимірювання внаслідок низького співвідношення корисний сигнал/завада. Завада виникає по-перше за рахунок нелінійних спотворень акустичних випромінювачів і приймачів, що призводять до появи вищих гармонік основної частоти сигналу і, як наслідок, до ненульової різниці сигналів при резонансі, у складі якої представлені вищі гармоніки основної частоти сигналу, і по-друге за рахунок різниці фазових характеристик акустичних випромінювачів і приймачів, що призводять до ненульової різниці сигналів при резонансі, у складі якої представлена основна гармоніка сигналу. Таким чином, заважаючий сигнал є сигналом складної форми, який містить як основну, так і вищі гармоніки сигналу, що випромінюється. Необхідність вимірювати корисний сигнал на фоні досить інтенсивної завади складної форми, що має у спектральному складі як основну, так і вищі гармоніки сигналу, обумовлює не тільки невисоку точність, але й принципову складність пристрою, бо у даному випадку звичайний або селективний вольтметр у складі електронного блока не забезпечать технічної точності (декілька відсотків). Недоліки найближчого аналога полягають також у тому, що він реалізує непряме вимірювання величини, тобто принципово потребує перетворювання об'єму повітря у камері в електричний сигнал з подальшим вимірюванням величини цього сигналу, що додатково вносить похибки і спотворення, і, крім того, залежність між об'ємом, що вимірюється, та рівнем електричного сигналу з акустичного приймача є суттєво нелінійною, що зумовлює складність при градуюванні пристрою і користуванні ним. В основу корисної моделі "Пристрій для вимірювання об'єму тіла довільної форми" поставлено задачу прямого вимірювання об'єму деталі без встановлення залежності між величиною різниці напруг чи токів електричних сигналів з акустичних приймачів вимірювальної та еталонної камер та величиною, що вимірюється, тобто об'ємом деталі. Задача вирішується наступним чином: денце еталонної камери з'єднано з мікрометричним гвинтом, що пересуває це денце всередині цієї камери. Суть корисної моделі полягає в тому, що пристрій ля вимірювання об'єму тіла довільної форми містить першу трубу, на одному кінці якої розташовано акустичний випромінювач і акустичний приймач, а на іншому - замкнену вимірювальну камеру з денцем, яке знімається для введення у камеру зразка чи деталі, об'єм якої треба виміряти, і другу трубу, на одному кінці якої розташовано акустичний випромінювач і 1 UA 81533 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 акустичний приймач, а на іншому - замкнену еталонну камеру, причому обидва акустичних випромінювачі підключені до генератора гармонійних сигналів звукової частоти, а обидва акустичних приймачі підключені до вольтметра. На початку роботи, коли зразок або деталь не розміщені у вимірювальній камері, пристрій балансують, тобто переміщенням денця за допомогою мікрометричного гвинта досягають мінімальної різниці сигналів з акустичних приймачів. При цьому об'єми повітря у вимірювальній та еталонній камерах є теоретично однаковими. Зразок або деталь у вимірювальній камері займе частину її об'єму відміну, тож об'єм повітря у ній зменшиться. Пересуванням денця еталонної камери за допомогою мікрометричного гвинта зменшують об'єм повітря у ній та знов досягають балансу. При цьому величина, на яку зменшився об'єм повітря у еталонній камері, теоретично дорівнює об'єму зразка або деталі у вимірювальній камері. Налаштування камер в резонанс зміною частоти звукового сигнала на відміну від прототипа виконують один раз і в подальшому ця частота лишається незмінною. Відхилення власної резонансної частоти системи труба - камера, зумовлені зміною температури, вологості, тощо, у даному випадку є непринциповими через те, що відлік вимірюваної величини роблять за положенням денця еталонної камери, а не за рівнем сигналів з акустичних приймачів, тож зміни рівня сигналу через ці фактори не впливають на кінцевий результат. Ненульова різниця сигналів при балансі пристрою, що виникає через нелінійні спотворення випромінюваного сигналу та через фазові спотворення, обумовлені неідентичністю виготовлення акустичних випромінювачів, приймачів та самих камер, у даному випадку не є недоліком з цієї ж причини: у запропонованому пристрої з рівнем сигналу з акустичних приймачів не пов'язується вимірювана величина, а різниця цих сигналів несе інформацію лише про різницю об'ємів повітря у еталонній і вимірювальній камері, і якщо ця різниця є мінімальною, то об'єми повітря у камерах є однаковими. Абсолютна різниця положень денця у еталонній камері до і після розміщення у вимірювальній камері зразка або деталі залежить від різниці об'ємів повітря у вимірювальній камері до і після розміщення у ній зразка або деталі, тобто визначає виміряний об'єм. Оскільки переріз еталонної камери є постійним, то зміна об'єму повітря в ній лінійно залежить від переміщення денця камери, тобто прилад забезпечує як прямий відлік вимірюваного об'єму за шкалою мікрометричного гвинта, що переміщує денце еталонної камери, так і лінійну залежність вимірюваної величини від цього переміщення і дає змогу градуювати шкалу мікрометричного гвинта безпосередньо в одиницях об'єму. Ефективність пристрою, що пропонується, підтверджено експериментальними результатами вимірювання об'ємів порошкових зразків за допомогою запропонованого пристрою, за допомогою прототипу та гідростатичним зважуванням. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями. На фіг. 1 представлено схему ' запропонованого пристрою. Пристрій містить першу і другу труби 1 і 1 , перший і другий ' ' акустичні випромінювачі 2 і 2 , перший і другий акустичні приймачі 3 і 3 , вимірювальну камеру 4 і ' еталонну камеру 4 , генератор сигналів звукової частоти 5, вольтметр змінного струму 6 і мікрометричний гвинт 7. ' Пристрій працює наступним чином. На одному з кінців труб 1 і 1 розміщено акустичні ' ' випромінювачі 2 і 2 і акустичні приймачі 3 і 3 , причому акустичні випромінювачі підключені до ' генератора сигналів звукової частоти 5, а акустичні приймачі 3 і 3 підключені до вольтметра 6 таким чином, що сигнал з одного акустичного приймача віднімається від сигналу другого. На ' других кінцях резонансних труб розташовані вимірювальна 4 і еталонна 4 камери. Денце ' еталонної камери 4 рухається за допомогою мікрометричного гвинта 7, при цьому її об'єм змінюється. Обертанням мікрометричного гвинта 7 пристрій балансують при порожній вимірювальній камері, тобто досягають мінімальних показань вольтметра 6, і фіксують відлік ' початкового положення денця еталонної камери 4 за шкалою мікрометричного гвинта. Далі розміщують у вимірювальній камері 4 деталь, об'єм якої потрібно виміряти, та знову за допомогою мікрометричного гвинта 7 домагаються мінімальних показань вольтметра 6. Фіксують кінцеве положення денця еталонної камери за шкалою мікрометричного гвинта. Абсолютне значенні різниці між початковим та кінцевим відліками по шкалі мікрометричного гвинта визначить вимірюваний об'єм. Осцилограми різниці напруг сигналів з акустичних приймачів наведено на фіг. 2. Зображення на фіг. 2а являє собою осцилограму сигналу в момент балансу пристрою з порожньою вимірювальною камерою. З фігури видно, що за рахунок нелінійних спотворень при генеруванні і випромінюванні акустичних сигналів різниця сигналів з акустичних приймачів є головним чином сумою вищих гармонік частоти випромінюваного акустичного сигналу. Зображення на фіг. 2б являє собою осцилограму сигналу після введення зразка об'ємом 24,99 3 см у вимірювальну камеру. З фігури видний з одного боку помітний рівень сигналу основної 2 UA 81533 U 5 10 частоти, з іншого - достатньо помітне відхилення форми сигналу від синусоїдальної через завади від вищих гармонік, що зумовлює складності та похибки при вимірюванні у прототипі. На 3 зображенні фіг. 2в надано осцилограму сигналу після введення зразка об'ємом 3,99 см у вимірювальну камеру. З фігури видний великий рівень завад від вищих гармонік, що значно спотворюють корисний сигнал. Нарешті, на фіг. 2г показано осцилограму сигналу при наявності 3 зразка об'ємом 24,99 см у вимірювальній камері та збалансованій еталонній камері. Видно, що пристрій балансується настільки ж добре, як і без наявності зразка у вимірювальній камері, тож помітного впливу вимірюваного об'єму на точність балансування пристрою, а значить і на точність відліку вимірюваної величини, не виявлено. Корисна модель стосується вимірювання об'єму тіла довільної форми і може бути використана у галузі порошкової металургії, машинобудування та ін. для визначення об'єму та щільності зразків і деталей з пористих порошкових матеріалів. Запропонований пристрій дозволяє знизити копіткість та підвищити точність вимірювання об'ємів зразків та деталей довільної форми з матеріалів довільної пористості без занурення останніх у рідину. 15 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 Пристрій для вимірювання об'єму тіла довільної форми, що містить першу трубу, на одному кінці якої розташовано акустичний випромінювач і акустичний приймач, а на іншому - замкнену вимірювальну камеру з денцем, яке знімається для введення у камеру зразку чи деталі, об'єм якої треба виміряти, і другу трубу, на одному кінці якої розташовано акустичний випромінювач і акустичний приймач, а на іншому - замкнену еталонну камеру, причому обидва акустичних випромінювачі підключені до генератора гармонійних сигналів звукової частоти, а обидва акустичних приймачі підключені до вольтметра, який відрізняється тим, що денце еталонної камери з'єднано з мікрометричним гвинтом, що пересуває це денце всередині еталонної камери. 3 UA 81533 U Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4