RU2364848C2 - Device for measurement of pressure and profile of shock waves - Google Patents

Abstract

FIELD: physics, measurements.

SUBSTANCE: invention is related to instrument-making and may be used for measurement of pressure and profile of shock waves. Device consists of dielectric matrix, with metering unit installed on it with sensitive element. Besides sensitive element is arranged in the form of manganin and konstantan sensors installed coaxially, parallel by working surfaces above each other, besides, konstantan sensor is installed under manganin sensor via insulator, and their outlets are installed in two mutually perpendicular planes and perpendicular to shock wave front.

EFFECT: exclusion of information provision dependence on front curvature and smoothness, and also occurring electromagnet interferences in wide range of pressures.

1 dwg

Description

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения давления и профиля ударных волн, в том числе и сильных волн с неплоскими фронтами в различных конденсированных средах - твердых телах, жидкостях и газах.The invention relates to instrumentation and can be used to measure the pressure and profile of shock waves, including strong waves with non-planar fronts in various condensed matter - solids, liquids and gases.

Известен датчик для измерения динамических давлений по а.с. №412498, МПК⁷ G01L 1/16, содержащий чувствительный элемент, выполненный в виде пьезосопротивления, например манганиновой проволоки.A known sensor for measuring dynamic pressures on.with. No. 412498, IPC ⁷ G01L 1/16, containing a sensitive element made in the form of a piezoresistance, for example manganin wire.

Недостатком известного устройства является недостаточная точность из-за наличия вихревых токов или изменения магнитных свойств образца при динамическом сжатии.A disadvantage of the known device is the lack of accuracy due to the presence of eddy currents or changes in the magnetic properties of the sample during dynamic compression.

Наиболее близким и выбранным в качестве прототипа является датчик давления, описанный в статье «Корректировка показаний ПВДФ-пьезопленочных датчиков импульсного давления в условиях неодномерных нагружений и сильных электромагнитных полей» В.С.Осоловского, В.И.Постнова и др., ЦФТИ МО РФ, Сергиев Посад, ИПХФ РАН Черноголовка, //Shock waves in condensed matter, St.Peterburg, Russia, 18-23 Yuly, 2004, стр.135-141//, состоящий из диэлектрической матрицы с установленным на ней измерительным узлом с чувствительным элементом.The closest and selected as a prototype is the pressure sensor described in the article “Correction of the readings of PVDF-piezoelectric film of pulsed pressure sensors under the conditions of non-uniform loading and strong electromagnetic fields” by V.S. Osolovsky, V.I. Postnov and others, TsPTI MO RF , Sergiev Posad, IPCP RAS Chernogolovka, // Shock waves in condensed matter, St. Petersburg, Russia, 18-23 Yuly, 2004, pp. 135-141 //, consisting of a dielectric matrix with a measuring unit with a sensing element mounted on it .

Недостатками известного устройства являются низкая точность измерения, сложность в конструктивном исполнении, большие габаритные размеры, малый диапазон регистрируемых давлений.The disadvantages of the known device are low measurement accuracy, complexity in design, large overall dimensions, a small range of recorded pressures.

Задачей заявляемого изобретения является создание устройства для измерения давления и профиля ударных волн простого в конструктивном исполнении и миниатюрных размеров, обеспечивающего получение достоверной информации о состоянии вещества в ударных и детонационных волнах, их профиле и длительности.The task of the invention is to provide a device for measuring the pressure and profile of shock waves simple in design and miniature size, providing reliable information about the state of the substance in shock and detonation waves, their profile and duration.

Технический результат, который позволяет решить поставленную задачу, заключается в исключении зависимости получения информации от кривизны и гладкости фронта, а также возникающих электромагнитных помех в широком диапазоне давлений.The technical result, which allows us to solve the problem, is to eliminate the dependence of obtaining information on the curvature and smoothness of the front, as well as the resulting electromagnetic interference in a wide pressure range.

Это достигается тем, что в устройстве для измерения давления и профиля ударных волн, состоящем из диэлектрической матрицы с установленным на ней измерительным узлом с чувствительным элементом, согласно изобретению чувствительный элемент выполнен в виде манганинового и константанового датчиков, установленных соосно, параллельно рабочими поверхностями друг над другом, причем константановый датчик размещен под манганиновым через изолятор, а их выводы расположены в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и перпендикулярно фронту ударной волны.This is achieved by the fact that in the device for measuring the pressure and profile of the shock waves, consisting of a dielectric matrix with a measuring unit mounted on it with a sensing element, according to the invention, the sensing element is made in the form of manganin and constantan sensors mounted coaxially, parallel to the working surfaces one above the other moreover, the constantan sensor is placed under the manganin through the insulator, and their conclusions are located in two mutually perpendicular planes and perpendicular to the front of the impact Noah wave.

Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».The presence in the claimed invention features that distinguish it from the prototype, allows us to consider it appropriate to the condition of "novelty."

Новые признаки (чувствительный элемент выполнен в виде манганинового и константанового датчиков, установленных соосно, параллельно рабочими поверхностями друг над другом, причем константановый датчик размещен под манганиновым через изолятор, в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и перпендикулярно фронту ударной волны) не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».New features (the sensitive element is made in the form of manganin and constantan sensors mounted coaxially, parallel to the working surfaces one above the other, and the constantan sensor is placed under the manganin through the insulator, in two mutually perpendicular planes and perpendicular to the front of the shock wave) not found in technical solutions of a similar purpose . On this basis, we can conclude that the claimed invention meets the condition of "inventive step".

На чертеже представлена схема устройства для измерения давления и профиля ударных волн.The drawing shows a diagram of a device for measuring pressure and profile of shock waves.

Устройство для измерения давления и профиля ударных волн состоит из диэлектрической матрицы 1 (фторопласт), в которой размещен измерительный узел с чувствительными элементами 2 и 3, выполненными в виде манганинового 2 и константанового 3 датчиков, разделенных изолятором 4, в качестве которого могут быть использованы изолирующие пленки, пластины слюды, нитрида бора и др. Датчики 2 и 3 расположены по оси параллельно рабочими поверхностями друг над другом: манганиновый 2 над константановым 3 через изолятор 4, выполненный, например, в виде диэлектрической вставки из фторопластовой пленки толщиной ~ 50…80 мкм. Размер рабочей поверхности чувствительных элементов 2 и 3~1,5 мм. Рабочие поверхности чувствительных элементов 2 и 3 расположены параллельно фронту ударной волны, а их выводы 5 размещены в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и перпендикулярно фронту ударной волны. При таком размещении выводов по отношению к фронту ударной волны они работают не на растяжение, а на сжатие. За счет этого исключается преждевременное разрушение датчиков 2 и 3 в процессе измерения. Датчики 2 и 3 прекращают работать в момент выхода ударной волны на свободную поверхность изолятора 4, где находятся их выводы 5.A device for measuring the pressure and profile of shock waves consists of a dielectric matrix 1 (fluoroplastic), in which a measuring unit with sensitive elements 2 and 3, made in the form of manganin 2 and constantan 3 sensors separated by an insulator 4, which can be used as insulating films, mica plates, boron nitride, etc. Sensors 2 and 3 are arranged in an axis parallel to the working surfaces one above the other: manganin 2 over constantan 3 through an insulator 4, made, for example, in the form of a dielectric a fluoroplastic film insert with a thickness of ~ 50 ... 80 microns. The size of the working surface of the sensitive elements is 2 and 3 ~ 1.5 mm. The working surfaces of the sensitive elements 2 and 3 are located parallel to the front of the shock wave, and their conclusions 5 are placed in two mutually perpendicular planes and perpendicular to the front of the shock wave. With this arrangement of the conclusions with respect to the front of the shock wave, they work not in tension but in compression. Due to this, premature destruction of the sensors 2 and 3 during the measurement process is eliminated. Sensors 2 and 3 stop working when the shock wave exits onto the free surface of the insulator 4, where their findings 5 are located.

Работа устройства для измерения давления и профиля ударных волн осуществляется следующим образом. Внешний источник энергии (взрыв ВВ, удар пластины) возбуждает в исследуемом образце ударную волну. Ее характеристики измеряются манганиновыми 2 и константановыми 3 датчиками, расположенными в диэлектрической матрице 1. При выходе ударной волны на датчики изменяется их омическое сопротивление, которое регистрируется многоканальным осциллографом или логическим анализатором. Манганиновый датчик 2 фиксирует нормальную и тангенциальную компоненты напряжений, а константановый датчик 3 -тангенциальную. Многоканальность измерений позволяет производить непрерывную многоканальную запись процесса ударно-волнового нагружения. Количество каналов может быть от нескольких десятков до нескольких тысяч. Специальная программа обработки сигналов, учитывающая результаты калибровки манганинового 2 и константанового 3 датчиков, а также значения их динамических тензокоэффициентов, позволила получить точные профили ударных волн и величины давлений. Экспериментально установлено, что при регистрации неплоских ударных волн искажения профиля фронта ударной волны и его амплитуды по времени могут быть сравнимы с установлением равновесного состояния в самом датчике. Многоканальность измерений позволила точно восстановить истинный профиль ударной волны, охватывая большую поверхность.The operation of the device for measuring the pressure and profile of shock waves is as follows. An external energy source (explosive explosion, plate impact) excites a shock wave in the test sample. Its characteristics are measured by manganin 2 and constantan 3 sensors located in dielectric matrix 1. When the shock wave exits the sensors, their ohmic resistance changes, which is recorded by a multi-channel oscilloscope or logic analyzer. The manganin sensor 2 detects the normal and tangential stress components, and the constantan sensor 3 detects the tangential components. The multichannel measurement allows continuous multichannel recording of the shock wave loading process. The number of channels can be from several tens to several thousand. A special signal processing program that takes into account the calibration results of manganin 2 and constantan 3 sensors, as well as the values of their dynamic strain coefficients, made it possible to obtain accurate shock wave profiles and pressure values. It was experimentally established that when registering non-planar shock waves, the distortions of the profile of the front of the shock wave and its amplitude in time can be comparable with the establishment of the equilibrium state in the sensor itself. The multi-channel measurements made it possible to accurately restore the true profile of the shock wave, covering a large surface.

За счет размещения чувствительных элементов 2 и 3, выполненных в виде датчиков, и их выводов 5 в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и перпендикулярно фронту ударной волны, достигается лучшая помехозащищенность датчиков, минимизируется погрешность измерений, возникающая при растяжении выводов. При этом значительно уменьшена площадь токовых контуров, являющихся приемниками возможных помех. Кроме того, обеспечивается более длительная работа токовых выводов, что в целом увеличивает время жизни датчиков, и, как следствие, более полно регистрируется весь ударно-волновой процесс.Due to the placement of the sensitive elements 2 and 3, made in the form of sensors, and their conclusions 5 in two mutually perpendicular planes and perpendicular to the front of the shock wave, better noise immunity of the sensors is achieved, the measurement error resulting from the extension of the leads is minimized. At the same time, the area of current circuits that are receivers of possible interference is significantly reduced. In addition, a longer operation of the current outputs is ensured, which generally increases the lifetime of the sensors, and, as a result, the entire shock-wave process is more fully recorded.

За счет миниатюрности датчика при регистрации неплоских ударных волн искажения профиля фронта ударной волны и его амплитуды по времени сравнимы с установлением равновесного состояния в самом датчике.Due to the miniature size of the sensor during registration of non-planar shock waves, the distortions of the profile of the front of the shock wave and its amplitude in time are comparable with the establishment of the equilibrium state in the sensor itself.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании изобретения следующей совокупности условий: устройство для измерения давления и профиля ударных волн предназначено для измерения давлений и профилей цилиндрических и сферических ударных волн, в том числе волн с небольшим радиусом кривизны; устройство для измерения давления и профиля ударных волн, воплощенное в заявленном изобретении, позволило:Thus, the above information indicates the fulfillment of the following combination of conditions when using the invention: a device for measuring pressure and profile of shock waves is intended for measuring pressures and profiles of cylindrical and spherical shock waves, including waves with a small radius of curvature; A device for measuring the pressure and profile of shock waves, embodied in the claimed invention, allowed:

- повысить информативность экспериментов о состоянии исследуемого образца в ударных волнах, их профиле и длительности вне зависимости от кривизны и гладкости фронта ударной волны, а также возникающих электромагнитных помех;- increase the information content of experiments on the state of the test sample in shock waves, their profile and duration, regardless of the curvature and smoothness of the shock wave front, as well as the resulting electromagnetic interference;

- обеспечить низкую погрешность измерений за счет повышения помехозащищенности чувствительных элементов размещением их выводов и рабочих поверхностей в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и перпендикулярно фронту ударной волны;- to provide low measurement error by increasing the noise immunity of sensitive elements by placing their conclusions and working surfaces in two mutually perpendicular planes and perpendicular to the front of the shock wave;

- более полно и достоверно регистрировать весь ударно-волновой процесс за счет многоканальности измерений.- more fully and reliably record the entire shock wave process due to multichannel measurements.

Таким образом, устройство для измерения давления и профиля ударных волн, воплощенное в заявленном изобретении, при его осуществлении способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем достигаемого технического результата.Thus, the device for measuring the pressure and profile of the shock waves embodied in the claimed invention, when implemented, is able to ensure that the applicant sees the achieved technical result.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».Therefore, the claimed invention meets the condition of "industrial applicability".

Claims (1)

Устройство для измерения давления и профиля ударных волн, состоящее из диэлектрической матрицы с установленным на ней измерительным узлом с чувствительным элементом, отличающееся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде манганинового и константанового датчиков, установленных соосно, параллельно рабочими поверхностями друг над другом, причем константановый датчик размещен под манганиновым через изолятор, а их выводы расположены в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и перпендикулярно фронту ударной волны. A device for measuring the pressure and profile of shock waves, consisting of a dielectric matrix with a measuring unit mounted on it with a sensing element, characterized in that the sensing element is made in the form of manganin and constantan sensors mounted coaxially parallel to the working surfaces one above the other, and the constantan sensor placed under the manganin through the insulator, and their findings are located in two mutually perpendicular planes and perpendicular to the front of the shock wave.

Images