CS210255B1

CS210255B1 - Accoustic sensor for measuring the lenght changes

Info

Publication number: CS210255B1
Application number: CS770078A
Authority: CS
Inventors: Vladimir Slavik
Original assignee: Vladimir Slavik
Priority date: 1978-11-24
Filing date: 1978-11-24
Publication date: 1982-01-29

Description

Vynález se týká akustického čidla k měření délkových změn v rozmezí asi ΙΟ“⁶ až 10² m, sestávající ze dvou píšťal, jejíchž akustické délky se mění měřenými délkovými změnami.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to an acoustic sensor for measuring length variations in the range of about ⁶ to 10 ² m, consisting of two pipes, the acoustic lengths of which vary with the measured length variations.

Dosud známé způsoby měření délkových změn pracují většinou na principu mechanickém, optickém, kapacitním, induktivním nebo pneumatickém, přičemž převodník signálu z čidla a jeho přenos na dálku bývá na principu elektrickém nebo pneumatickém. Při měření dilatací v atomovém reaktoru nebo uvnitř pecí je důležitý požadavek odolnosti měřicího zařízení vůči ionizačnímu záření a vůči teplotám až mnoho set °C.The known methods of measuring length changes are based on the principle of mechanical, optical, capacitive, inductive or pneumatic, whereby the signal converter from the sensor and its transmission over the distance is usually electric or pneumatic. When measuring dilatations in an atomic reactor or inside furnaces, the requirement of resistance of the measuring device to ionization radiation and temperatures up to many hundred ° C is important.

Známé způsoby mají nevýhodu složitého elektrického nebo elektronického provedení, jehož technologické materiály neodolávají ionizačriímu záření, případně vysokým teplotám, nébo poskytují výstupní signál o značně nelineární závislosti na měřených délkových změnách.The known methods have the disadvantage of a complicated electrical or electronic design whose technological materials do not resist ionizing radiation or high temperatures, or provide an output signal with a substantially non-linear dependence on the measured length variations.

Dosavadní; nevýhody odstraňuje akustické čidlo k měření délkových změn v rozmezí asi 10“⁶ až 10² m, sestávající ze dvou píšťal, jejichž akustická délka se mění měřenými délkóvými změnami, podle vynálezu, jehož podstatou je, že plášť první píšťaly je spojen s pláštěm druhé píšťaly a s první opějjkou vymezující měřenou délku z jedné strany, zatímco píst společný oběma píšťalám je spojen s druhou opěrkóu vyme210255 zjijící měřenou .délku z druhé strany, přičemž přívod plynu k první píšťale je paralelně zapojen s přívodem plynu k druhé píšťale.Existing; disadvantages are removed by the acoustic sensor to measure changes in length in the range of about 10 ^"6 to 10 ² m, consisting of two pipes whose acoustic length varies measured length variations, the invention which is characterized in that the casing the first pipe is connected to the housing second whistle and with a first barrel defining a measured length from one side, while the piston common to both whistles is connected to a second support extending the measured length from the other side, the gas supply to the first whistle being connected in parallel to the gas supply to the second whistle.

j Podstatou vynálezu také je, že přívod plynů k první píšťale je připojen k prvnímu vjýstupu trojcestného přepínače proudu plynu a přívod plynu k druhé píšťale je připojen k druhému výstupu trojcestného přepínače proudu plynu.It is also an object of the invention that the gas supply to the first whistle is connected to the first output of the three-way gas flow switch and the gas supply to the second whistle is connected to the second output of the three-way gas flow switch.

{Předností čidla podle vynálezu je konstrukční jednoduchost, možnost použití materiálů odolných vysokým teplotám, například 1250 °C i intenzivnímu ionizačnímu záření, například taveného křemene nebo ipvaru nebo žárupevné oceli.The advantage of the sensor according to the invention is its simplicity of construction, the possibility of using materials resistant to high temperatures, for example 1250 ° C, and intense ionizing radiation, for example fused quartz or flux or heat-resisting steel.

{ Další předností čidla podle vynálezu je, žfe výstupní signál čidla představovaný rozdílovou frekvencí obou znějících píšťal ujmožňuje přímý bezdrátový přenos akusticIsjou cestou, přičemž změny plynu napájecího obě píšťaly s teplotou, tlakem nebo hustotou neovlivňují výstupní signál, jehož závislost na měřených délkových změnách je Ijneární.Another advantage of the sensor according to the invention is that the sensor output signal represented by the differential frequency of the two sounding whistles permits direct wireless transmission through the acoustic path, while changes in gas supplying both whistles with temperature, pressure or density do not affect the output signal.

í, Čidlo je vhodné pro měření délkových změn uvnitř pecí nebo v atomovém reaktoru s bezdrátovým přenosem signálu na dálku. , {Vynález blíže objasní výkres, kde na obr, lf je například provedení čidla se dvěma píšťalami připojenými paralelně ke zdroji proudu plynu a na obr. 2 je například provedení, kde obě píšťaly čidla jsou připojeny k přepínači proudu plynu.The sensor is suitable for measuring length changes inside furnaces or in an atomic reactor with wireless signal transmission remotely. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1f illustrates, for example, an embodiment of a sensor with two whistles connected in parallel to a gas flow source, and FIG.

První případ na obr. 1 sestává ze dvou píšťal s pohyblivými písty, jejichž akustická délka je vázána na měřené délkové změny. Pláště 3, 4 obou píšťal 1, 2 jsou spojeny navzájem a s první opěrkou S, která vymezuje měřenou délku 6 z jedné strany. Píst 7 je společný oběma píšťalám 1 a 2 a je spojen s druhou opěrkou 8 vymezující měřenou délkou 6 z druhé strany. Přívod plynu 9 k první píšťale 1 je zapojen paralelně s přívodem plynu 10 k druhé píšťale 2.The first case in Fig. 1 consists of two whistles with movable pistons whose acoustic length is linked to the measured length changes. The jackets 3, 4 of the two whistles 1, 2 are connected to each other and to the first support S, which defines a measured length 6 from one side. The piston 7 is common to both whistles 1 and 2 and is connected to a second support 8 defining a measured length 6 from the other side. The gas supply 9 to the first whistle 1 is connected in parallel with the gas supply 10 to the second whistle 2.

Na obr. 2 je příklad provedení čidla, které se liší od provedení na obr. 1 jen tím, že přívody plynu 9 a 10 k píšťalám 1 a 2 jsou připojeny na výstupy 11 a 13 trojcestného přepínače 12 přoudu plynu.Fig. 2 shows an exemplary embodiment of a sensor that differs from the embodiment of Fig. 1 only in that the gas inlets 9 and 10 to the whistles 1 and 2 are connected to the outputs 11 and 13 of the three-way gas flow switch 12.

Funkce akustického čidla podle vynálezu vysvítá z fyzikálního a matematického odvození pro akustické kmitání uzavřeného rezonátoru píšťalového tvaru na základní frekvenci. Při kmitání plynu ,v píšťale je frekvence základního tónu _f ;__The function of the acoustic sensor according to the invention results from the physical and mathematical derivation for the acoustic oscillation of a closed fisthing resonator at a fundamental frequency. In gas flutter, in the whistle, the pitch frequency is _f ; __

Izákl. — kde Λ je délka vlny, c je rychlost zvuku v plynu. Pro uzavřenou píšťalu délky 1 je λ = 41. PotomIsaac. - where Λ is the length of the wave, c is the speed of sound in the gas. For closed whistle of length 1 is λ = 41. Then

Rychlost šíření zvuku c v plynu závisí na Poissonově konstantě κ, liustotě p, tlaku p a teplotě T plynu podle vztahuThe speed of sound propagation c in the gas depends on the Poisson constant κ, the p-density p, the pressure p and the gas temperature T according to

Délka první píšťaly 1ι = 1ο/1-}-α(Τι —T₀)/-j-j- Al a délka druhé píšťaly l₂ = l₀/1+α(Τ!—T_o)/— — Al, kde a je teplotní činitel délkové roztažnosti, u \ohou píšťal stejný, T_x je teplota obou píšťal, T_o je výchozí teplota, při níž h = = 1₂ = l₀, Al = měřená délková \ změna.The length of the first tibial 1ι 1ο = / 1 -} - α (Τι -T ₀₎ / - jj- Al and the second tibia length l ₂ = l _0/1 + α (Τ! -T _o) / - - Al, and wherein is the temperature coefficient of linear expansion, u \ by the same pipes, T _x is the temperature of both pipes, T _o is the starting temperature at which h = = 1 ₂ = ₁₀ , Al = measured length \ change.

Po dosazení obdržíme fi {l₀/l+a (Tj-To J/+A1} = c 4 f₂ {lo/l-t-aíTi—T_o)/—-Al} = c.Substituting receive fi {l ₀ / l + a (Tj-j /} = A1 + c 4 f ₂ {Lo / Lt-Aitia-T _o) / - Al} = c.

Odtud Al =- -²~y- . 1/1+aíTj—To)/. I2 Γ llHence, Al = - - ² - y -. 1 (1 + 1) (To) /. I2 Γ ll

Pro relativně malé změny délky jest Af = f₂-f₁«f₁.For relatively small length changes, Af = f ₂ -f ₁ «f ₁ .

Je-li teplotní součinitel délkové roztažnosti materiálu píšťal a = 0, nebo provede-li se vynulování Af = 0 za pracovní teploty Ti ~ = T_o, potom měřená poměrná délková změnaIf the temperature coefficient of linear expansion of the pipe material is a = 0, or if Af = 0 is zeroed at the working temperature Ti ~ = T _o , then the measured length change

Al •A_ .2 ‘ f = konst. . Af je úměrná rozdílu frekvencí obou píšťal a nezávisí na změnách vlastností plynu rpzeznívajícího obě píšťaly. ,Al • A_ .2 ‘f = const. . Af is proportional to the difference in frequencies of the two whistles and does not depend on the changes in the properties of the gas running both pipes. ,

Praktický příklad čidla podle vynálezu představují dvě Galtonovy píšťaly s kruhovým rtem, o akustické délce 10 mm a průměru 3 mm. Frekvence kmitání je cca 8300 Hz. Posuvem společného pístu o měřenou délku 1 μΐη se vyvolá změna rozdílové frekvence o 1,66 Hz.A practical example of a sensor according to the invention is represented by two circular lip whistles with an acoustic length of 10 mm and a diameter of 3 mm. The oscillation frequency is approximately 8300 Hz. The displacement of the common piston by a measured length of 1 μΐη causes a change in the differential frequency of 1.66 Hz.

Využití čidla podle vynálezu je výhodné ve spojení s měřičem akustické rozdílové frekvence Af obou píšťal, která se může měřit přímo jako Interferenční rozdílový tón libovolným měřičem s dolnofrekvenční propustí. Na příkladu uspořádání podle obr. 2 je možno měřit rozdílovou frekvenci obou píšťal postupným měřením při střídavém rozeznáváním píšťal pomocí přepínače proudu plynu. Některým známým měřičem frekvence, například číslicovým čítačem s pamětí, se zjistí rozdíl dvou postupně měřených frekvencí.The use of the sensor according to the invention is advantageous in connection with the acoustic difference frequency meter Af of both whistles, which can be measured directly as the interference difference tone by any low-pass meter. In the example of the arrangement of FIG. 2, it is possible to measure the differential frequency of the two whistles by successively measuring the alternating whistles by means of a gas flow switch. Some known frequency meters, such as a digital counter with memory, detect the difference of two successively measured frequencies.

Claims

Acoustic sensor for measuring length changes in the range 10 ⁶ to 10 - ² m, consisting of two pipes, the acoustic length of which varies by measured length changes, characterized in that the housing (3) of the first pipe (1) is connected to the housing (1). 4) the second whistle (21 and with the first support (5) defining the measured length (6) from one side, while the piston (7) common to the two whistles (1, 2) is connected to the second support (8) defining the measured length (6) from the other side, wherein the gas supply (9)

2 of the drawings to the first whistle (1) is connected in parallel with the gas supply (10) to the second whistle (2).

Acoustic sensor according to claim 1, characterized in that the gas supply (9) to the first whistle (1) is connected to the first outlet (11) of the three-way gas flow switch (12) and the gas supply (10) to the second whistle (2). is connected to the second output (13) of the three-way gas flow switch (12).