Способ определения угла наклона плоскости



Способ определения угла наклона плоскости
Способ определения угла наклона плоскости
Способ определения угла наклона плоскости

 


Владельцы патента RU 2521270:

Объединенный Институт Ядерных Исследований (RU)

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в ускорительной и измерительной технике физического эксперимента, а также в области геодезии при строительстве протяженных гидротехнических сооружений, при создании приборов и устройств, требующих привязки к уровню горизонта; в измерительной технике. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения угла наклона; малый вес и габариты элементов. Способ заключается в определении высоты столба жидкости в двух сообщающихся сосудах, расположенных на фиксированном расстоянии относительно друг друга на подложке, устанавливаемой на измеряемую поверхность, путем одновременного измерения электрической емкости конденсаторов, расположенных в этих сосудах, между обкладками которых находится жидкость. По измеренным значениям емкостей вычисляют угол наклона с применением соответствующих формул. Одновременно с измерением емкостей измеряют температуру окружающей среды и корректируют погрешность изменения столба жидкости в сосудах, связанную с температурным расширением используемой жидкости и материала сосудов, исходя из их известной зависимости от температуры. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Область техники

Способ может быть использован при создании приборов и устройств, требующих привязки к уровню горизонта; в области геодезии; при строительстве протяженных гидротехнических сооружений; в том числе измерительной технике и технике физического эксперимента.

Уровень техники

Многие приборы для измерения угла наклона поверхности работают на принципе сообщающихся сосудов: теодолиты, манометры, нивелиры. Для определения угла наклона с помощью сообщающихся сосудов требуется знать уровень жидкости в них. Точность измерений таких приборов зависит от устройства измерения высоты столба жидкости в сосуде. Для измерения высоты столба жидкости используется либо шкала, нанесенная на сосуд, либо шкала, специально разработанная для данного устройства. Как правило, точность измерения с помощью обычных шкал не превышает 0.5 мм. Лучшую точность имеют инклинометры, обладающие двойной шкалой измерения. Их точность для большинства моделей составляет ±0.1°. Лучшую точность имеют инклинометры NB3 фирмы Seika (0.001° в диапазоне углов ±10°) [1], что для ряда приложений является недостаточным как по диапазону измеряемых углов, так и точности измерения. Для решения данной задачи были предложены различные способы. Известен способ [2] измерения уровня диэлектрической жидкости с помощью емкостного уровнемера в виде ряда одинаковых по емкости конденсаторов, расположенных вертикально один над другим снизу вверх. Емкость конденсаторов, междуэлектродное пространство которых заполнено диэлектрической жидкостью, превышает емкость конденсаторов при отсутствии жидкости. Измеряя и сравнивая величины емкостей конденсаторов, определяют уровень жидкости по их известному положению. Известен способ [3] измерения уровня жидкости и уровнемер типа штанги для его осуществления. В данном способе на штанге, которая погружается в жидкость для измерения уровня, установлены единичные емкости, служащие датчиками положения. Величина емкости зависит от наличия жидкости между обкладками. Последовательный опрос величины емкости конденсаторов с помощью электронных средств позволяет определить уровень жидкости, так как емкость конденсатора при наличии между обкладками жидкости превышает емкость воздушного конденсатора. Перечисленные способы [2,3] имеют ограниченную точность измерения уровня жидкости вследствие дискретного положения конденсаторов и расстояния между ними, а также ошибки в определении уровня жидкости, когда жидкость перекрывает обкладку не полностью. Известен датчик углов наклона объекта [4], содержащий два электролитических уровня, выполненные в виде ампулы цилиндрической формы с двумя электродами и наполненные электролитической жидкостью. Электроды устанавливаются симметрично относительно третьего - среднего, расположенного на противоположной части ампулы. Оба уровня повернуты относительно своих продольных осей на 180° и наклонены к горизонту на заданный угол в противоположных направлениях. Средние электроды соединены последовательно с конденсаторами фиксированной емкости, которые образуют два плеча измерительного моста. В первую диагональ моста включен источник напряжения переменного сигнала с заданной частотой, а во вторую - электрометрический усилитель и электроника регистрации сигнала. Усилитель сравнивает и усиливает разность сигналов со средних электродов датчика. В зависимости от угла наклона меняются величины сопротивления и емкости центральных электродов диэлектрических уровней, что вызывает изменение амплитуды сигнала измерительного моста, по которому судят об угле наклона. Режим измерения не учитывает влияние температуры, а датчик имеет трудности в изготовлении наружных выводов к электродам в герметичной ампуле с жидкостью.

Известен способ определения угла наклона и устройство для его осуществления [5], выбранный в качестве прототипа. Работа устройства основана на перемещении тела качения относительно стационарного положения в камере с жидкостью под действием силы тяжести. Перемещение тела происходит в чувствительной зоне, создаваемой активным элементом, расположенным ниже корпуса с камерой. Расстояние между активным элементом и телом качения регулируется. В случае емкостного способа создания чувствительной зоны активный элемент состоит из металлических обкладок, расположенных концентрическим образом и образующих электрическую емкость. В качестве тела качения может использоваться шар или диск, или цилиндр, а поверхность качения выполняют в виде сферы, конуса или поверхности с заданной кривизной. Поверхность качения имеет фиксированный угол относительно уровня горизонта. При наклоне устройства, превышающем заданный угол, тело начинает катиться под действием силы тяжести до точки, касательная в которой параллельна уровню горизонта. Величина измеряемой емкости между концентрическими обкладками активного элемента зависит от положения тела качения, что позволяет определить угол наклона. Данное техническое решение имеет следующие недостатки:

- активный элемент экранируется корпусом и жидкостью камеры, что уменьшает чувствительность способа;

- в предложенном способе направление угла наклона в плоскости XY задается с помощью концентрических обкладок, расположенных дискретно по окружности, что ограничивает точность определения угла в радиальном направлении;

- способ имеет температурную зависимость из-за диэлектрической постоянной жидкости и коэффициента расширения материала тела качения, которые вносят неучитываемую ошибку в результат измерения;

- способ не чувствителен к наклонам менее угла, фиксированного при изготовлении устройства, а при нулевом угле наклона нет фиксации нулевой точки координат;

- создание поверхности качения и тела качения (сфера, шар, цилиндр и других сложных форм) требует специального оборудования с высокой точностью и высокого качества обработки для уменьшения трения качения.

Перечисленные недостатки данного способа не позволяют обеспечить требуемую точность измерения угла наклона 10-5-10-6, необходимую в технике физического эксперимента.

Ставилась задача разработать надежный, простой, доступный в реализации и удобный в применении способ измерения угла наклона плоскости и расположенных на ней объектов с высокой точностью для техники физического эксперимента. Например, проектируемый ускоритель в рамках международного проекта “Компактный Линейный Коллайдер” (The Compact Linear Collider) [6] должен обеспечить электронный пучок по вертикальной координате порядка 5·10-9 метра [7]. Поэтому монтаж ускорительных элементов пучка, криомодулей, необходимо выполнять с прецизионной точностью, и задача контроля их установки соосно является важной проблемой.

Раскрытие изобретения

Поставленная задача решается с помощью использования сообщающихся сосудов с жидкостью, установленных на общей подложке и разнесенных на фиксированное расстояние. Высота столба жидкости в сосудах, необходимая для вычисления угла наклона, определяется путем одновременного измерения емкости конденсаторов, помещенных в сосуды, между обкладками которых находится жидкость. По измеренным значениям емкостей вычисляют угол наклона плоскости или объекта, определяемый линией горизонта и линией, проходящей через центры оснований сосудов, по формуле:

ϕ = arcsin ( 2 H 0 L C 1 C 2 C 1 + C 2 )

где:

φ - измеряемый угол наклона;

H0 - высота столба жидкости в сосудах при нулевом угле наклона;

L - расстояние между сосудами, определяемое по линии между центрами их оснований;

C1 - емкость первого конденсатора при измерении наклона;

С2 - емкость второго конденсатора при измерении наклона.

Чтобы повысить точность определения угла наклона, площади обкладок конденсаторов, высоту столба жидкости в сосудах и паразитные емкости измерительных проводов калибруют при нулевом угле наклона, а угол наклона вычисляют по формулам:

k = C 1 К ( T К ) C 2 К ( T К ) = S 1 К S 2 К

H К = ε ε 0 S 1 К C 1 К Δ C 1 = ε ε 0 S 2 К C 2 К Δ C 2

φ = arcsin [ 2 H К L ( C 1 Δ C 1 ) k ( C 2 Δ C 2 ) ( C 1 Δ C 1 ) + k ( C 2 Δ C 2 ) ]

где:

k - коэффициент отношения калиброванных площадей обкладок конденсаторов;

С - емкость конденсатора в первом сосуде, измеряемая при калибровке;

С - емкость конденсатора во втором сосуде, измеряемая при калибровке;

S - калиброванная площадь верхней обкладки конденсатора в первом сосуде;

S - калиброванная площадь верхней обкладки конденсатора во втором сосуде;

HК - калиброванное значение высоты столба жидкости в сосуде;

ε0 - диэлектрическая постоянная вакуума;

ε - диэлектрическая проницаемость жидкости;

С1 - емкость конденсатора в первом сосуде при измерении наклона;

С2 - емкость конденсатора во втором сосуде при измерении наклона;

ΔС1 - паразитная емкость проводов для подключения конденсатора в первом сосуде;

ΔС2 - паразитная емкость проводов для подключения конденсатора во втором сосуде;

L - расстояние между сосудами, определяемое по линии между центрами их оснований.

Для учета влияния температуры одновременно с измерением емкостей конденсаторов измеряют температуру окружающей среды и корректируют погрешность изменения столба жидкости в сосудах, связанную с температурным расширением используемой жидкости и материала сосудов, исходя из их известной зависимости от температуры, а угол наклона вычисляют по формуле:

ϕ = arcsin { 2 H K L [ 1 + [ α ж ( Т ) α ж ( Т К ) ] [ α С ( Т ) α С ( Т К ) ] 1 + α С ( Т ) α С ( Т К ) ] ( C 1 Δ C 1 ) k ( C 2 Δ C 2 ) ( C 1 Δ C 1 ) + k ( C 2 Δ C 2 ) }

где:

HК - калиброванное значение высоты столба жидкости в сосуде;

L - расстояние между сосудами, определяемое по линии между центрами их оснований;

Т - температура окружающей среды при измерении наклона;

TK - температура окружающей среды при калибровке;

αж(Т) - значение коэффициента температурного расширения жидкости при температуре измерения наклона;

αж(TK) - значение коэффициента температурного расширения жидкости при температуре калибровки;

αс(Т) - значение коэффициента температурного расширения материала сосуда при температуре измерения наклона;

αсK) - значение коэффициента температурного расширения материала сосуда при температуре калибровки;

С1 - емкость конденсатора в первом сосуде при измерении наклона;

С2 - емкость конденсатора во втором сосуде при измерении наклона;

ΔС1 - паразитная емкость проводов для подключения конденсатора в первом сосуде;

ΔС2 - паразитная емкость проводов для подключения конденсатора во втором сосуде.

Совокупность выше указанных признаков позволяет повысить точность измерения угла наклона и обеспечить требования, предъявляемые в технике физического эксперимента.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами.

1. Фигура 1, где:

1 - прибор для одновременного измерения емкости конденсаторов в сосудах; 2 и 3 -сообщающиеся сосуды с жидкостью; 4 и 5 - верхние обкладки конденсаторов; 6 и 7 - уровни жидкости в сосудах; 8 - соединительная трубка; 9 - подложка для установки сосудов; 10 и 11 - нижние обкладки конденсаторов.

2. Фигура 2, где элементы с 1 по 11, обозначенные на фиг.1, показаны в режиме измерения.

3. Фигура 3 - зависимость диэлектрической проницаемости воды от температуры.

Принцип сообщающихся сосудов позволяет определить угол наклона плоскости. Для этого требуется знать разность высот столбов жидкости в сосудах и расстояние между сосудами:

ϕ = arcsin ( H 1 H 2 L )

H1 - уровень жидкости в первом сосуде;

Н2 - уровень жидкости во втором сосуде;

L - расстояние между сосудами.

В случае измерения высоты столба жидкости по величине емкости, между обкладками которых находится жидкость, приведенная выше формула имеет вид:

ϕ = arcsin ( 2 H 0 L C 1 C 2 C 1 + C 2 )

где:

φ - измеряемый угол наклона;

H0 - высота столба жидкости в сосудах при нулевом угле наклона;

L - расстояние между сосудами, определяемое по линии между центрами их оснований;

С1 - емкость первого конденсатора при измерении наклона;

С2 - емкость второго конденсатора при измерении наклона.

Точность измерения угла наклона зависит от точности определения этих параметров. Работу способа иллюстрируют фиг.1 и 2. Чтобы обеспечить высокую точность определения угла наклона, площади верхних обкладок конденсаторов и высота столба жидкости в сосудах калибруются при нулевом угле наклона и измеренной температуре. Элементы способа в режиме калибровки показаны на фиг.1. Калибровка позволяет учесть паразитную емкость соединительных проводов, нелинейные эффекты на краях конденсаторов, компенсировать ошибку измерения площади обкладок и с высокой точностью определить высоту столба жидкости в сосудах. Калибровка выполняется следующим образом. Предварительно с высокой точностью измеряется площадь верхних обкладок (4, 5) конденсаторов, которые плавают на поверхности жидкости и равны S и S соответственно для первого и второго конденсатора. Нижние обкладки конденсаторов (10, 11) крепятся на дне сосудов и могут иметь большую площадь. Критичной является площадь верхних обкладок. Далее сосуды 2 и 3 закрепляют на подложке 9, которую устанавливают на плоскость с нулевым уклоном, причем сосуды сообщаются с помощью трубки 8. При отключенных обкладках измеряют паразитные емкости проводов, соединяющих конденсаторы с прибором одновременного измерения емкости 1, определяя погрешности, вносимые проводами (ΔС1 - для первого конденсатора и ΔС2 - для второго). Затем провода подключают к обкладкам конденсаторов 4, 10 и 5, 11 и в сосуды наливают определенное количество жидкости. В этом случае уровни жидкости в сосудах 6 и 7 будут одинаковыми, и емкости конденсаторов между обкладками 4, 10 (С) и обкладками 5, 11 (С), измеряемые с помощью прибора 1, будут определяться соотношениями:

C 1 K = ε ε 0 S 1 K H 0 + Δ C 1

C 2 K = ε ε 0 S 2 K H 0 + Δ C 2

Отношение измеренных при калибровке величин емкостей C и C с учетом измеренных поправок равно отношению компенсированных площадей конденсаторов, которое будет константой при любом количестве жидкости в сосудах. Это позволяет компенсировать относительную ошибку в измерении площадей и учесть краевые эффекты конденсаторов.

C 1 K Δ C 1 C 2 K Δ C 2 = S 1 K S 2 K = k , S 1 K = k S 2 K .

В приведенных соотношениях:

C - емкость конденсатора в первом сосуде, измеренная при калибровке;

C2K - емкость конденсатора во втором сосуде, измеренная при калибровке;

S - площадь верхней обкладки конденсатора с учетом коррекции в первом сосуде;

S - площадь верхней обкладки конденсатора с учетом коррекции во втором сосуде;

ΔС1 - паразитная емкость проводов для подключения конденсатора в первом сосуде;

ΔС2 - паразитная емкость проводов для подключения конденсатора во втором сосуде;

k - коэффициент отношения компенсированных площадей обкладок конденсаторов.

Алгоритм компенсации площадей конденсаторов основывается на измерении отношения емкостей k и предположении равных ошибок измерения площадей: ΔS1=ΔS2. В связи с тем, что краевые эффекты уменьшают величину емкости, корректирующая ошибка измерения площади будет отрицательной. По аналогии можно определить ошибку, когда отклонения имеют разные знаки. Ошибка вычисляется из соотношения:

S 1 K S 2 K = S 1 И Δ S 1 S 2 И Δ S 2 = k

Δ S 1 = S 1 И k S 2 И 1 k

Коэффициент k вычисляется из независимого соотношения емкостей:

C 1 K Δ C 1 C 2 K Δ C 2 = k

Корректировка измеренных значений площадей конденсаторов на величину ΔS1 позволяет более точно определить высоту столба жидкости в сосудах HK по соотношениям:

H К = ε ε 0 S 1 К С 1 К Δ С 1 = ε ε 0 S 2 К С 2 К Δ С 2

где:

HК - калиброванное значение высоты столба жидкости в сосуде;

S - калиброванное значение площади верхней обкладки первого конденсатора;

S - калиброванное значение площади верхней обкладки второго конденсатора;

S - измеренное значение площади верхней обкладки первого конденсатора;

S - измеренное значение площади верхней обкладки второго конденсатора;

ε0 - диэлектрическая постоянная вакуума;

ε - диэлектрическая проницаемость жидкости.

Калиброванная высота столба жидкости, налитой в сосуды, зависит и от величины диэлектрической проницаемости жидкости. В качестве жидкости предпочтительно выбрать воду. Она обладает высоким значением коэффициента диэлектрической проницаемости (~80), что позволяет сделать компактными размеры конденсаторов и сосудов, и безопасна в работе. График зависимости диэлектрической проницаемости воды ε от температуры Т приведен на фиг.3. Зависимость имеет вид: ε=0.00079T2-0.4T+88 и ошибку менее 2×10-6 практически во всем диапазоне рабочих температур. Ошибка измерения высоты НК складывается из ошибки определения площади конденсатора, ошибки измерения емкости и ошибки значения величины диэлектрической проницаемости.

d H К H К = d S 1 К S 1 К + d C 1 К C 1 К + Δ ε ε

Калибровка помогает на два порядка повысить относительную точность определения эффективных площадей конденсаторов, которая составляет порядка 10-6. При емкости в 50 пΦ и точности ее измерения 10-5 пΦ ошибка измерения емкости составляет менее 10-7. Ошибка определения диэлектрической проницаемости воды составляет менее 2×10-6. Суммарная ошибка определения высоты НК с учетом калибровки не превышает 2.1×10-6.

Процесс измерения угла наклона иллюстрируется на фиг.2. При указанном на фигуре наклоне часть жидкости из сосуда 3 по соединительной трубке 8 будет перетекать в сосуд 2 до установления одинакового уровня в обоих сосудах относительно уровня горизонта. При этом высота столба жидкости 6 в сосуде 2 относительно нулевого угла наклона увеличится на величину h, а высота столба жидкости 7 в сосуде 3 уменьшится на величину h, что приведет к изменению величины емкостей конденсаторов. Емкость конденсатора в сосуде 2 (обкладки 4, 10) уменьшится и составит

C 1 = ε ε 0 S 1 К cos ϕ H К + h + Δ C 1

Емкость конденсатора в сосуде 3 (обкладки 5, 11) увеличится и составит:

C 2 = ε ε 0 S 2 К cos ϕ H К h + Δ C 2

Измеренные значения емкостей С1 и С2 позволяют определить величину изменения столба жидкости в сосудах h:

h = ( C 1 Δ C 1 ) k ( C 2 Δ C 2 ) ( C 1 Δ C 1 ) + k ( C 2 Δ C 2 )

Из тригонометрических соотношений следует, что угол наклона равен:

ϕ = arcsin ( 2 h L ) = arcsin [ 2 H К L ( C 1 Δ C 1 ) k ( C 2 Δ C 2 ) ( C 1 Δ C 1 ) + k ( C 2 Δ C 2 ) ]

где:

φ - измеряемый угол наклона;

HК - калиброванное значение высоты столба жидкости в сосуде;

L - расстояние между сосудами, определяемое по линии между центрами их оснований;

С1 - емкость первого конденсатора при измерении наклона;

С2 - емкость второго конденсатора при измерении наклона;

ΔС1 - паразитная емкость проводов для подключения конденсатора в первом сосуде;

ΔС2 - паразитная емкость проводов для подключения конденсатора во втором сосуде;

k - коэффициент отношения калиброванных площадей обкладок конденсаторов.

Знак разности емкостей (С1-ΔС1)-k(С2-ΔС2) определяет знак наклона. Ошибка в определении угла наклона включает погрешности двух сомножителей. Погрешность первого сомножителя 2HК/L складывается из ошибки измерения высоты столба жидкости при калибровке и ошибки измерения расстояния между сосудами. Для сосудов, разнесенных на расстояние 1 метр и ошибке измерения расстояния в 10 микрон, погрешность измерения расстояния между сосудами является определяющей и составляет 10-5. Погрешность второго сомножителя (С1-kС2)/(С1+kС2) имеет величину порядка 0.5×10-6. Суммарная погрешность составляет 1.05×10-5, что отвечает поставленным требованиям и значительно превосходит точность, достигаемую другими способами. Правильность калибровки можно проверить дополнительными измерениями параметра k при нулевом угле наклона путем добавления жидкости в сосуды при постоянной температуре. Чтобы избежать процесса калибровки перед каждым измерением, сосуды покрывают крышками для предотвращения испарения жидкости. При этом необходимо обеспечить одинаковое атмосферное давление в каждом сосуде и учесть температурное расширение жидкости. Влияние температуры на изменение уровня жидкости в сосуде можно учесть с помощью коэффициентов температурного расширения используемой жидкости и материала сосудов. В зависимости от температуры будет изменяться величина столба жидкости и расстояние между сосудами. Изменение расстояния между сосудами от температуры можно уменьшить до величины (0.9-3)×10-6 выбором материала для подложки. Основное влияние оказывает температурное расширение жидкости, которые имеют коэффициент расширения порядка (1-3)×10-4, и расширение объема сосудов. С учетом коэффициентов расширения жидкости и сосудов угол наклона определяется по формуле:

ϕ = arcsin { 2 H K L [ 1 + [ α ж ( Т ) α ж ( Т К ) ] [ α С ( Т ) α С ( Т К ) ] 1 + α С ( Т ) α С ( Т К ) ] ( C 1 Δ C 1 ) k ( C 2 Δ C 2 ) ( C 1 Δ C 1 ) + k ( C 2 Δ C 2 ) }

где:

HK - калиброванное значение высоты столба жидкости в сосуде;

L - расстояние между сосудами, измеряемое по линии между центрами их оснований;

ТК - фиксированная температура при калибровке;

αж(T) - значение коэффициента температурного расширения жидкости при температуре измерения наклона;

αж(TК) - значение коэффициента температурного расширения жидкости при калибровке;

αс(T) - значение коэффициента температурного расширения материала сосуда при температуре измерении наклона;

αсК) - значение коэффициента температурного расширения материала сосуда при температуре калибровке;

С1 - емкость первого конденсатора при измерении наклона;

С2 - емкость второго конденсатора при измерении наклона;

ΔС1 - паразитная емкость проводов для подключения конденсатора в первом сосуде;

ΔС2 - паразитная емкость проводов для подключения конденсатора во втором сосуде;

k - коэффициент отношения калиброванных площадей обкладок конденсаторов.

Для реализации способа (элементы 1-11) известны приборы для измерения емкости [8] и температуры [9]. Точность устройства измерения емкости составляет 10-5 пΦ. Для одновременного измерения емкости требуются два прибора, работающие в режиме одновременного запуска измерения. Точность измерения температуры составляет 0.1°С, что отвечает требованиям. Верхние обкладки конденсаторов (4. 5) изготавливают из металлической фольги, которые свободно плавают на поверхности жидкости. Нижние обкладки конденсаторов (10, 11) могут быть интегрированы в подложку или быть изготовленными из фольги и иметь выводы на подложку. Сосуды изготавливаются из диэлектрика. Характерные размеры сосудов составляют 4×5 см2, что характеризует миниатюрность элементов для реализации способа. В зависимости от требуемого диапазона измеряемых углов выбирают расстояние между сосудами на подложке и уровень жидкости в сосудах. Предельная величина измеряемого угла составляет:

φmax=arcsin(2HК/L)

При выбранных размерах сосуда и величине столба жидкости HК=5 см, емкость конденсатора при нулевом угле наклона составляет порядка 30 пΦ, а предельный угол наклона для L=20 см составит 30°. Стеклянную трубку, соединяющую сосуды, можно выбрать в каталоге компании SCHOT Tubing [10]. Малый диаметр трубки позволяет компенсировать вибрацию жидкости. Компания выпускает трубки диаметром 1-10 мм и длиной до 3 м.

Литература

1. Датчик угла наклона NB3 фирмы SEIKA Mikrosystemtechnik GmbH, www.prosensor.ru/aiticle63.html

2. Заявка на изобретение №2003100414.

3. Патент на изобретение №2286551.

4. Патент на изобретение №2330241.

5. Патент на изобретение №2455616.

6. The Compact Linear Collider, http://clic-study.org

7. “CLIC design, parameters and layout”, http://clic-study.org

8. Прецизионные измерители параметров LCR цифровые GW Instek LCR-816, www.gwinstek.com

9. Термометр цифровой PMTEMP1, www.chipdip.ru

10. Стеклянные трубки компании SCHOT Tubing, www.schot.com

1. Способ определения угла наклона плоскости, включающий регистрацию величины электрической емкости в сосуде с жидкостью, расположенном на плоскости, по значению величины которой судят об угле наклона, отличающийся тем, что высоту столба жидкости определяют в двух сообщающихся сосудах, расположенных на фиксированном расстоянии относительно друг друга на измеряемой плоскости, путем одновременного измерения электрической емкости конденсаторов, помещенных в сосуды, между обкладками которых находится жидкость, и по измеренным значениям емкостей вычисляют угол наклона плоскости, определяемый линией горизонта и линией, проходящей через центры оснований сосудов, по формулам:



где:
k - коэффициент отношения калиброванных площадей обкладок конденсаторов;
С - емкость конденсатора в первом сосуде, измеряемая при калибровке;
С - емкость конденсатора во втором сосуде, измеряемая при калибровке;
S - калиброванная площадь обкладки первого конденсатора;
S - калиброванная площадь обкладки второго конденсатора;
HК - калиброванное значение высоты столба жидкости в сосуде;
L - расстояние между сосудами, определяемое по линии между центрами их оснований;
ε0 - диэлектрическая постоянная вакуума;
ε - диэлектрическая проницаемость жидкости;
С1 - емкость первого конденсатора при измерении наклона;
С2 - емкость второго конденсатора при измерении наклона;
ΔС1 - паразитная емкость проводов для подключения конденсатора в первом сосуде;
ΔС2 - паразитная емкость проводов для подключения конденсатора во втором сосуде.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что одновременно с измерением емкостей конденсаторов измеряют температуру окружающей среды и корректируют погрешность изменения столба жидкости в сосудах, связанную с температурным расширением используемой жидкости и материала сосудов, исходя из их известной зависимости от температуры, а угол наклона вычисляют по формуле:

где:
HК - калиброванное значение высоты столба жидкости в сосуде;
L - расстояние между сосудами, определяемое по линии между центрами их оснований;
ТК - фиксированная температура при калибровке;
αж(T) - значение коэффициента температурного расширения жидкости при температуре измерения наклона;
αжК) - значение коэффициента температурного расширения жидкости при температуре калибровки;
αс(T) - значение коэффициента температурного расширения материала сосуда при температуре измерения наклона;
αсК) - значение коэффициента температурного расширения материала сосуда при температуре калибровки;
C1 - емкость конденсатора в первом сосуде при измерении наклона;
С2 - емкость конденсатора во втором сосуде при измерении наклона;
ΔС1 - паразитная емкость проводов для подключения конденсатора в первом сосуде;
ΔС2 - паразитная емкость проводов для подключения конденсатора во втором сосуде;
k - коэффициент отношения калиброванных площадей обкладок конденсаторов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в схемах автоматического и дистанционного измерения углов наклона. .

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в строительстве для определения превышения одной точки сооружения над другой. .

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для высокоточного измерения превышений, а также постоянного контроля за высотным положением точек инженерных сооружений и технологического оборудования сочетанием методов гидродинамического и гидростатического нивелирования.

Изобретение относится к области измерительной техники и служит для определения углов наклона различных объектов в широком /90o/ диапазоне углов с высокой точностью. .

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и служит для изме-ЛЬ -L рения угловых смещений объекта. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения превышения между нивелируемыми точками. .

Изобретение относится к дорожно-строительной технике с планировочным оборудованием для формирования грунтовых поверхностей с поперечным наклоном. .

Изобретение относится к области геодезического приборостроения и может быть использовано для определения деформаций сооружений и оборудования. .

Устройство относится к области измерительной техники и может быть использовано в геодезии; при строительстве протяженных гидротехнических сооружений; при создании приборов и устройств, требующих привязки к уровню горизонта; а также в технике физического эксперимента. Технический результат от применения данного предложения заключается в повышении точности измерения угла наклона. Устройство для измерения угла наклона плоскости содержит два жидкостных конденсатора, помещенные в сосуды из диэлектрического материала. Сосуды установлены на общей подложке и сообщаются между собой с помощью соединительной трубки. К верхним обкладкам конденсаторов подключают индуктивности фиксированной величины. Индуктивность и емкость конденсатора в каждом сосуде образует резонансную LC схему, которая подключается к частотозадающему входу автогенератора. Частоту автогенераторов одновременно измеряют с помощью прибора. Работа устройства основана на определении высоты столба жидкости в двух жидкостных конденсаторах, помещенных в сообщающихся сосудах, по частоте автогенератора, которую можно измерить с более высокой точностью. По измеренным значениям частот вычисляют угол наклона с применением соответствующих формул. Температурное влияние на точность измерения угла наклона плоскости корректируется исходя из известной зависимости элементов устройства и параметров жидкости от температуры. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения углов наклона объектов и установленного на них оборудования. Техническим результатом заявленной группы изобретения является повышение точности измерений и уменьшение материальных и временных затрат, обеспечение линейности зависимости выходного сигнала от угла наклона. Устройство измерения угла наклона объекта включает закрепленный на вертикально расположенной панели полый тороид из парамагнитного материала, на который намотана первичная обмотка, подключенная к выходу звукового генератора. Поверх первичной намотана вторичная обмотка, содержащая две идентичные секции, охватывающие по половине тороида и включенные последовательно навстречу друг другу, свободные концы вторичных обмоток подключают к измерительному прибору. При этом тороид наполовину заполнен магнитной жидкостью. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.
Наверх