PL211199B1 - Sposób pomiaru zmiany odległości między dwoma punktami pomiarowymi oraz urządzenie do pomiaru zmiany odległości - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru zmiany odległości między dwoma punktami pomiarowymi z dokładnością rzędu 0,5 µm na odcinku 10 metrów oraz urządzenie do pomiaru zmiany odległości zachodzącej w czasie. W sposobie, nad punktami pomiarowymi rozpina się dwa odcinki drutu pomiarowego o różnych współczynnikach rozszerzalności termicznej α1 α2. Następnie końce drutów mocuje się i napina, a później w wybranych odcinkach czasowych mierzy się i rejestruje łączną zmianę ich długości Δx1 i Δx2, po czym korzystając z zależności: Δa = Δx1 + A(Δx1 - Δx2), gdzie A = α1(α1/α2) wylicza się rzeczywistą zmianę odległości Δa między punktami pomiarowymi. Urządzenie ma dwa moduły (1) i (2), pozycjonowane w punktach pomiarowych (A) i (B), między którymi rozpięte są dwa druty pomiarowe (5) i (6). Druty zamocowane są w punkcie pomiarowym (A) za pomocą układu napinające - rejestrującego, a w punkcie pomiarowym (B), poprzez układ mocująco - regulujący.

Description

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 211199 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 384321 ^{(51) Int.Cl.}

G01B 5/14 (2006.01) (22) Data zgłoszenia: 24.01.2008

Sposób pomiaru zmiany odległości między dwoma punktami pomiarowymi oraz urządzenie do pomiaru zmiany odległości

(43) Zgłoszenie ogłoszono: 03.08.2009 BUP 16/09	(73) Uprawniony z patentu: INSTYTUT FIZYKI POLSKIEJ AKADEMII NAUK, Warszawa, PL
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 30.04.2012 WUP 04/12	(72) Twórca(y) wynalazku: MAREK JUREK, Warszawa, PL

PL 211 199 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru zmiany odległości między dwoma punktami pomiarowymi oraz urządzenie do pomiaru zmiany odległości zachodzącej w czasie.

Przy stosowaniu pewnego rodzaju technik pomiarowych, a także w badaniu sztywności konstrukcji, istotna jest znajomość zmian odległości jaka następuje pomiędzy określonymi punktami w czasie a wynikająca z wpływu czynników zewnętrznych.

Znane są urządzenia do pomiaru odległości takie jak dalmierze laserowe. Urządzenia te umożliwiają pomiar znacznych odległości ale nie mogą być stosowane w precyzyjnym określaniu zmiany długości.

Znane są także interferometry laserowe, które umożliwiają dokładny pomiar długości drogi od źródła do detektora fali. W urządzeniach tych realizowany jest podział światła lasera na dwie wiązki z których jedną wiązkę umieszczamy na badanym odcinku a drugą wprowadzamy do detektora jako wiązkę odniesienia gdzie długość fali jest wzorcem odległości. Prowadzone badania pozwoliły na określenie ogólnych zasad wykorzystujących fakt, że długość fali w powietrzu zmienia się w zależności od temperatury, ciśnienia, wilgotności i składu chemicznego otoczenia. Określono, że zmiana długości 1 ppm (1 nm/m) może być wywołana zmianą temperatury otoczenia o 1°C, zmianą ciśnienia o 4 hP lub też zmianą wilgotności o 30%. Jedynie wiązka laserowa umieszczona w próżni pozwala na uzyskanie pomiaru z zadawalającą dokładnością. Jednakże są to urządzenia drogie, zajmujące dużą powierzchnię; przystosowane z reguły do pomiaru zmian długości na określonych odcinkach a więc mało elastyczne jak na potrzeby wyrafinowanych technik pomiarowych.

Znane jest także urządzenie, w którym nad punktami pomiarowymi znajduje się rozpięty drut, przy czym drut ten zamocowany jest jednym końcem bezpośrednio nad pierwszym punktem pomiarowym a drugim końcem, poprzez czujnik przemieszczenia zamocowany jest nad drugim punktem pomiarowym.

W rozwiązaniu tym zmiany odległości między punktami pomiarowymi rejestrowane są przez czujnik przemieszczenia a następnie korygowane o współczynnik rozszerzalności użytego drutu (np. w przypadku inwaru zmiana temperatury o 1°C powoduje wydłużenie drutu o 10 nm na każde 10 metrów). Rozwiązanie to jest proste w konstrukcji ale dla zapewnienia takiej dokładności konieczne jest zapewnienie w czasie pomiaru stabilizacji temperaturowej na poziomie 0,1°C co jest znacznym ograniczeniem. Dlatego też urządzenie tego typu wykorzystywane jest w pomiarach dużych zmian długości.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu monitorowania z dużą dokładnością (rzędu 0.5 nm na odcinku 10 metrów) zmian odległości między punktami pomiarowymi, które zachodzą przy normalnych wahaniach temperatury otoczenia (± 2°K).

Sposób pomiaru zmiany odległości między dwoma punktami pomiarowymi według wynalazku polega na tym, że najpierw nad punktami pomiarowymi rozpina się dwa odcinki drutu pomiarowego przy czym pierwszy drut ma współczynnik rozszerzalności α1 a drugi drut ma współczynnik rozszerzalności cieplnej α2. Następnie końce drutów mocuje się w punktach pomiarowych i oba druty napina się tak aby znajdowały się jak najbliżej siebie, zapewniając jednocześnie każdemu z nich stabilne naprężenie. Później w wybranych odcinkach czasowych mierzy się i rejestruje łączną zmianę długości Δx₁ dla drutu pierwszego i Δx₂ dla drutu drugiego, po czym korzystając z zależności:

Δa = Δx₁ + A (Ax₁ - Δx₂) gdzie: A = α₁ — ^α2 wylicza się rzeczywistą zmianę odległości Δa między punktami pomiarowymi.

Urządzenie według wynalazku posiada dwa stabilne moduły między którymi rozpięte są dwa druty pomiarowe o różnym współczynniku rozszerzalności termicznej. Za pomocą odpowiednich ostrzy, pierwszy moduł pozycjonowany jest w pierwszym punkcie pomiarowym, a drugi moduł pozycjonowany jest w drugim punkcie pomiarowym. Druty pomiarowe, zamocowane są z jednej strony w pierwszym punkcie pomiarowym, poprzez układ napinająco - rejestrujący modułu pierwszego, a z drugiej strony w drugim punkcie pomiarowym, poprzez układ mocująco - regulujący modułu drugiego. Przy czym układ napinająco - rejestrujący urządzenia tworzą dźwignie napinające druty połączone z obciążnikami i z tłumikami oraz czujniki optyczne połączone z rejestratorem.

Sposób według wynalazku umożliwia monitorowanie zmian odległości między dwoma punktami z dokładnością ~ 0,5 nm na odcinku 10 m.

PL 211 199 B1

Sposób według wynalazku zostanie bliżej objaśniony na przykładzie pomiaru zmiany odległości między dwoma punktami pomiarowymi oddalonymi od siebie o 5 m. Na rysunku pokazano natomiast przykładowe urządzenie do realizacji tego sposobu.

Urządzenie posiada dwa stabilne moduły 1 i 2 z których każdy jest mocowany do bazy jaką stanowi podłoga 17 hali eksperymentalnej. Ruch bazy jest definiowany jako zmiana odległości między punktami pomiarowymi A i B. Między modułami rozpięte są dwa druty pomiarowe 5 i 6 o różnym współczynniku rozszerzalności termicznej, przy czym pierwszy drut jest drutem inwarowym o współczynniku rozszerzalności termicznej α₁ = 1-10^-6 1/°K a drugi drut jest drutem wykonanym ze stali nierdzewnej i ma współczynnik rozszerzalności cieplnej α₂ =16-10^-6 1/°K. Pierwszy moduł 1 pozycjonowany jest w pierwszym punkcie pomiarowym A za pomocą ostrza 3, a drugi moduł 2 pozycjonowany jest w drugim punkcie pomiarowym B za pomocą ostrza 4. Druty pomiarowe 5, 6 z jednej strony zamocowane są w punkcie pomiarowym A poprzez układ napinająco - rejestrujący modułu 1. Układ ten posiada dźwignie napinające druty połączone z obciążnikami 9 i 10, oraz z tłumikami 11 i 12 a także czujniki optyczne 13 i 14 połączone z oscyloskopem.

Z drugiej strony druty pomiarowe zamocowane są w punkcie pomiarowym B poprzez układ mocująco - regulujący modułu 2 wyposażony w śruby mikrometryczne 15 i 16.

Po rozpięciu drutów pomiarowych i odpowiednim zamocowaniu ich końców w punktach pomiarowych, druty napina się tak, aby znajdowały się jak najbliżej siebie (~1 mm). Później mierzy się zmiany długości każdego z drutów i zmiany ruchu bazy. Ponieważ długość drutów zmienia się podczas zmian temperatury to każdy z czujników mierzy sumę zmiany długości dla drutu Al₁, Ai₂ i zmiany ruchu bazy Aa, który jest taki sam dla obydwu czujników. Następnie, rejestruje się łączne odchylenie łączne Ax1 i Ax2 wynikające z termicznych zmian długości drutu i względnego przesunięcia punktów pomiarowych, a korzystając z zależności:

Aa = Ax1 + A (Ax1 - Ax2) gdzie: A = α₁ — ^α2 wylicza się rzeczywistą zmianę odległości Aa między punktami pomiarowymi. Pomiar wykazał, że na odcinku 5 metrów między punktami pomiarowymi, rzeczywiste zmiany odległości wahają się w granicach od 4 do 9 μm.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób pomiaru zmiany odległości między dwoma punktami pomiarowymi, w którym zmianę odległości określa się poprzez badanie zmian długości drutu pomiarowego i jego współczynnika rozszerzalności termicznej, znamienny tym, najpierw nad punktami pomiarowymi rozpina się dwa odcinki drutu pomiarowego, którego końce mocuje się w punktach pomiarowych, przy czym pierwszy drut ma współczynnik rozszerzalności α1 a drugi drut ma współczynnik rozszerzalności cieplnej α2 i α1 < α2, następnie oba druty napina się tak, aby znajdowały się jak najbliżej siebie i zapewnia się każdemu z nich stabilne naprężenie, a później mierzy się i rejestruje zmianę łącznej długości Ax1 dla drutu pierwszego i Ax2 dla drutu drugiego, po czym korzystając z zależności:

   Aa = Ax1 + A (Ax1 - Ax2) gdzie: A= α₁ — ^α2 wylicza się rzeczywistą zmianę odległości Aa między punktami pomiarowymi.
2. 2. Urządzenie do pomiaru zmiany odległości posiadające między punktami pomiarowymi znajdującymi się na stabilnym podłożu zamocowany drut pomiarowy, którego zmiany długości rejestrowane są przez czujnik przemieszczenia, znamienne tym, że posiada dwa stabilne moduły (1 i 2) między którymi rozpięte są dwa druty pomiarowe (5 i 6) o różnym współczynniku rozszerzalności termicznej, przy czym pierwszy moduł (1) pozycjonowany jest w pierwszym punkcie pomiarowym (A) za pomocą ostrza (3), a drugi moduł (2) pozycjonowany jest w drugim punkcie pomiarowym (B) za pomocą ostrza (4), druty pomiarowe (5, 6) z jednej strony zamocowane są w punkcie pomiarowym (A) poprzez układ napinająco - rejestrujący modułu (1), a z drugiej strony w punkcie pomiarowym (B) poprzez układ mocująco - regulujący modułu (2).

   PL 211 199 B1
3. 3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że układ napinająco - rejestrujący posiada dźwignie (7, 8) napinające druty (5, 6) połączone z obciążnikami (9, 10) oraz z tłumikami (11, 12), a takż e czujniki optyczne (13, 14) połączone z rejestratorem.