Устройство для измерения малых углов наклона

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ УГЛОВ НАКЛОНА, содержание дифференциальный емкостный датчик, дра конденсатора которого образуют два смежных плеча мостовой измерительной цепи, генератор, усилитель, вход которого соединен с обисим электродом конденсаторов дифференциального емкостнбго датчика, фазочувствительный детектор, один из входов которого соединен с генератором, а второй - с выходом усилителя, и фильтр нижних частот, который соединен с выходом фазочувствительного детектора, отличающее ся тем, что, с целью повышения точности и увеличения дистанционности из мерения: , он снабжен трансформатором с индуктивной связью и комг 1утатором числа витков, причем первичная обмотка трансформатора подключена к генератору, концы первой вторичной обмотки, имеющей отвод от середины,/ подключены к крайним электродам дифференциального емкостного датчика , вторая вторичная обмртка с i (Л регулируемым числом витков и третья вторичная обмотка с постоянным чисс лом витков соединены поеледоватэльно и встречно и включены между землей и серединой первой вторичной обмотки,, а выход фильтра нижних частот связан с коммутатором числа витков.;

СОЮЗ СОВЕТСНИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

„.SU„„, 425 А

3511 5 01 С 9/18

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ /

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ,Ф

ГОСУДАРСТВЕННЬ9 КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТИРЫТИИ (21 ) 351 86 50/1 8-10 (22) 07,12. 82 (46) 07,12.83, Вюл, Р 45

{72) Ф.Б,Гриневич, А,И,Новик а А.Е.Лабузов (71) Институт электродинамики АН Украинской ССР (53) 528.541 (088.8) (56) 1. Патент Канады Р 1100212, «л. С1 0 В 7/30, 28,04.81, 2. Полищук В.И, Методы автоматизации измерений линейных перемещений высоких ба аенных сооружений, — "Геодезия, картография и аэрофотосъемка", 1980, Р 1, с. 125-128, 3. Патент Франции Р 2076850, кл. g 01 С 9/00, 30.01,70 (прототип), (54)(57) УСТРОЙСТВО цЛЯ ИЗЬПРЕНИЯ

КАЛЫХ УГЛОВ НАКЛОНА, содержащее дифференциальный емкостный датчик, два конденсатора которого образуют два смежных плеча мостовой измерительной цепи, генератор, усилитель, вход которого соединен с общим электродом конденсаторов дифференциального емкостного датчика, фазочувствительный детектор, один из входов которого соединен с генератором, а второй - с выходом усилителя, и фильтр нижних частот, который соединен с выходом фазочувствительного детектора, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и увеличения дистанционности измерения, он снабжен трансформатором с индуктивной связью и коммутатором числа витков, причем первичная обмотка трансформатора подключена к генератору, концы первой вторичной обмотки, имеющей отвод от середины,г подключены к крайним электродам дифференциального емкостнога дат- @ чика, вторая вторичная обмотка с регулируемым числом витков и третья . вторичная обмотка с постоянным числом витков соединены последовательно и встречно и включены между землей и серединой первой вторичной обмотки, а выход фильтра нижних частот связан с коммутатором числа витков

) 1059425

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к устройствам для измерения углов наклона объектов.

Известны устройства для измерения угла наклона, содержащие дифференциальный емкостный датчик, источник переменного тока, усилитель, амплитуднофазовый детектор и показывающее устройство. В качеотве дифференциального емкостного датчика используется пузырьковый уровень с введенными внутрь электродами (Ц .

Однако это э.атрудняет получение линейной характеристики измерений и, кроме того, снижает технологичность устройства.

Недостатками устройства являются также малая дистанционность и низкая точность измерений из-эа влияния параэитных емкостей, в частности, емкостей соединительных кабелей между емкостным датчиком и остальной частью устройства.

Известны электронные наклономеры в которых также используются пузырьковые уровни )2), однако пов шение дистанционности данного наклономера достигается размещением части измерительной схемы в корпусе датчика, что увеличива" ет его размеры и ограничивает область применения устройства.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения малых отклонений от горизонтали, содержащее дифферен" циальный емкостный датчик, генератор питающий мостовую измерительную цепь, к выходу которой последовательно подсоединены схема с большим входным сопротивлением, дифференциальный усилитель, фаэочувствительный детектор (синхронный демодулятор), второй вход которого соединен с выходом, генератора, и фильтр нижних частот.

В качестве датчика используется сосуд, частично заполненный токопроводящей жидкостью, например, ртутью, над поверхностью которой размещены два плоских электрода. Два конденсатора дифФеренциального емкостного датчика, каждый иэ которых образован соответственно плоским электродом и свободной поверхностью токопроводящей жидкости, являющейся общим электродоМ, образуют два смежных плеча мостовой измерительной цепи. Два других смежных плеча образованы двумя образцовыми конденсаторами f3)

Недостатками известного устройства являются низкая точность и ограниченная дистанционность измерения, обусловленные применением неуравновешенной мостовой цепи, изза чего на показания влияют нестабильность напряжения питающего генератора и нестабильность входного сопротивления усилителя влиянием на показания параэитных емкостных связей, .в том числе, собственной емкости соединительных проводов между датчиком и измерительной цепью, функцией преобразования устройства, представлякщей собой отнсшение дв„х емкостей. конденсаторов датчика, нелинейность которой начинает сказывать-. ся при измерении углов порядка ста угловых секунде

Целью изобретения является повышение точности и увеличение дис15 танционности измерения, Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения малых углов наклона, содержащее дифференциальный емкостный датчик, два конденсатора которого образуют два смежных плеча мостовой измерительной цепи, генератор, усилитель, вход кОторого соединен с общим электродом дифференциального емкостного датчика, фазочувствительный детектор, один иэ входов которого .соединен с генератором, а второйс выходом усилителя, и фильтр нижних частот который соединен с выходом фазочувствительного:детектора, З0 дополнительно введены трансформатор с индуктивной связью.и коммутатор чистка витков, причем первичная обмотка трансформатора подключена к генератору, концы первой вторичной

35 обмотки, имеющей отвод от середины, подключены к крайним электродам конденсаторов дифференциального емкостного датчика, вторая вторичная обмотка с регулируемым числом витков

40 и третья вторичная обмотка с постоянным числом витков соединены последовательно и встречно и включены между землей и серединой первой вторичной обмотки, а выход фильтра нижних частот связан с коммутатором

45 числ ви,, о

На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит генератор 1, выход которого соединен с первичной обмоткой 2 трансформатора 3 тесной индуктивной связью, Две равные секции 4 и 5 первой вторичной обмотки своими крайними концами соединены с двумя плоскими электродами б конденсаторов дифференциального емкостного датчика 7, а общий электрод 8 конденсаторов, роль которого выполняет свободная поверхность токопроводящей жидкости, соединен с входом

60 усилителя 9. Вйход усилителя 9 соединен с одним из входов фаэочувствительного детектора 10, второй вход которого соединен с генератором 1, а выход — с входом фильтра 11 ниж65 них частот °

1059425

Коммутатор 12 числа витков связан с второй вторичной обь|откой 13 трансформатора 3 так, что при подаче на вход коммутатора 12 положительного или отрицательного напряжения с выхода фильтра 11 нижних частот происходит нэменение числа витков обмотки 13 соответственно в сторонУ увеличения или уменьшения. При подаче на вход коммутатора 12 нулевого напряжения регулирование числа вит- 10 ков обмотки 13 прекращаетсй и набран-. ное число витков сохраняетея неиз= менным. В качестве коммутатора.12 может быть применен, например, рааер сивный двигатель с. йереключателей : фЯ реверсивный счетчик импульсов с .тактовым генератором и набором ключей и т,п. Положение коммутатора

12, однозначно соответствующее набранному числу витков обмотки 13, является выходным параметром устройства. -Последовательно с второй (регулируемой) вторичной обмоткой

13 трансформатора 3 включена третья вторичная обмотка 14, имеющая постоянное число витков, меньшее (например,.вдвое}, чем максимальное число. витков регулируемой обмотки 13 ° Об мотки 13 и 14 включены встречно. Благодаря этому при регулировании числа витков обмотки 13 суммарное напря- жение обмоток 13 и 14 может ииверти-. роваться по фазе,:проходя через нуль при некотором положении коммутатора;12. Этим обеспечивается уравновешивание устройства при измеренйи 35 наклонов как в одну, так и в другую сторону от горизонтального положения, Устройство работает следующим образом.. 40

Предположим, что числа витков, обмоток 13 и 14 в исходном состояний прибора равны. Выходное напряжение генератора: 1.поступает на первичную обмотку 2 трансформатора 3. Получаемые при этом на выходах секций .4 и 5 первой вторичной обмотки трансформатора 3 для равных по амплитуде и противоположных по фазе напряжения подаются на плоские электроды 5 конденсаторов датчика 6. При 50 отсутствии наклона емкости конденсаторов равны, и сигнал, снимаеьый с общего электрода 7 конденсаторов, равен нулю. При наклоне датчика 7 емкости С и С конденсаторов иэ- 55 меняется, причем

Е6 Е

С - — 1 С вЂ”

«а. х = З-. (1) где. g - диэлектрическая проницае- 60 мость газа в зазоре конденсаторов (для воздуха E: 1);

6 - площадь плоского электрода;

d — начальный зазор конденсаторов С,и. С, Х вЂ” приращение зазора вследствие наклона (для малых углов наклона перемещение электродов конденсаторов можно считать плоскопарал лельным).

После усиления усилителем 9 разностный сигнал поступает на фазочувствительный детектор 10, постоянный сигнал.с выхода которого фильтруется фильтром 11 нижних частот, который, в частности, служит для ослабления влияния колебаний поверхности жидкости 8 датчика 7. Напряжение той или иной полярности с выхода фильтра 11 нижних частот воздействует на коммутатор- 12 числа витков, который изменяет в ту или иную сторону число витков обмотки 13, При.этом на середину первой вторичной обмотки трансформатора 3 (на точку соединения секций 4 и 51 подается напряжение aU< соединенных последовательно и встречно обмоток

13 и 14. В зависимости от фазы этого напряжения оно складывается или вы читается с напряжениями секций 4 и 5 @epsom вторичной обмотки трансформатора 3, причем всегда увеличению напряжения на одном плоском .электроде датчика соответствует такое же уменьшение напряжения на другом, и наоборот, Регулирование числа витков производится коммутатором до тех пор, пока сигнал рассогласования мостовой схемы не станет равным нулю, т,е. пока мостовая схема не придет в состояние равновесия, условие которого выражается следукщей формулой: (U aU C -(О ЬО С =О (2) где U - напряжение, снимаемое с половины (с секции 4 или с секции 5) первой вторичной обмотки трансформато" ра 3.

-Подставив значения С и С иэ (1), в условие равновесия (2) и обозначив Ы получим выражение (4. х=др.

Величину, кроме того, можно определить иэ выражения: х=-tae, 6 (5) где (- расстояние между центрами

I плоских электродов, К вЂ” угол наклона, Для малых углов наклона%g eL можно. заменить иа 4С, тогда о и (6)

Приравнивая выражения (4) и (6) по.— лучим

ы=.— p- p, (7) 1059425

Составитель Л.Колюбакина

Редактор A.Øàíäoð Техред Л.Пилипенко. Корректор С. Ше кмар

Эаказ 9817/46 Тираж 602 Подпи сное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035р Москва» Ж 35» Раушская наб, д» 4/5

Филиал ППП "Патент", г. ужгород, ул. Проектная, 4 где K — постоянная величина, равная д/3 °

Нетрудно заметить из (2) и (3), что предлагаемое устройство реализует фунцию С С

С + С„(4

Этим достигается гораздо лучшая линейность выходной характеристики предлагаемого устройства по сравнению с известным при измерении углов наклона порядка сотен угловых се кунд.

Таким образом, измеряеьий угол наклона oL прямо пропорционален величине p,,которая определяется от- 15 ношением разности чисел витков обмоток 13 и 14 к постоянному числу витков одной иэ секций первой вторичной,обмотки, Величина разнОсти чисел витков регулируемой обмотки 13 и обмотки 14 с постоянным количеством витков однозначно соответствует выходному сигналу коммутатора 12 числа витков °

Так как напряжение питающего гене-25 ратора ие входит в окончательное выражение (7), то нестабильность его амплитуды не будет влиять на результат измерения. Благодаря тесной индуктивной связи обмоток трансформатора соотношение напряжений, подаваемых на плоские электроды 6 дифференциального емкостного датчика 7, поддерживается практически постояйным, при этом исключается влияние параэитных емкостей соединительных кабе- 35 лей. В состоянии равновесия сигнал на выходе мостовой схемы равен нулю, поэтому емкость соединительного кабеля между датчиком и усилителем и . входное сопротивление усилителя не 4 ) влияют на результат измерения. Таким образом, повышается точность иэмерения угла наклона, увеличивается дистанционность датчик может находиться на удалении нескольких десятков метров ат измерительной схеЬЫ) °

Использование трансформатора с тесной индуктивной связью и уравновешенной мостовой схемы выгодно отличает емкостной измеритель малых углов наклона от указанных аналогов и прототипа„ так как существенно повышает точность и дистанционность измерений, Решение задачи точного измерения малых углов наклона;йвляется очень важным для геодезии, астрономии, строительства и других отраслей народного хозяйства. Применение технологически простого малогабаритного датчика, повышенная дистанционность иэьи рения, а также получение сигнала в цифровой форме позволяют использовать устройство в системаХ автоматического управления для многоточечного контроля положения объектов.

В настоящее время для измерения

:малых углов наклона используются пузырьковые уровни. В качестве базового устройства принят электронный уровень ЭУ-2, созданный в Институте физики высоких энергий ГКАЭ СССР.

При измерении малых углов (до 50 угловых секунд), при длине соединительных кабелей (c погонной емкостью 100пу/м) 25-30 м и изменении знач ния полных емкостей подводящих кабелей в плечах мостовой измерительной схемы (вследствие изменения температуры и т.п,) на 5-10% погрешность измерения угла предлагаемым устройством не, превышает 0,3-0,53, тогда как погрешность измерения угла базовым устройством (при прочих рав,ных условиях) может достигать 10%.