Устройство для измерения угла наклона плоскости



Устройство для измерения угла наклона плоскости
Устройство для измерения угла наклона плоскости
Устройство для измерения угла наклона плоскости
Устройство для измерения угла наклона плоскости
Устройство для измерения угла наклона плоскости
Устройство для измерения угла наклона плоскости
Устройство для измерения угла наклона плоскости
Устройство для измерения угла наклона плоскости
Устройство для измерения угла наклона плоскости

 


Владельцы патента RU 2577804:

Объединенный Институт Ядерных Исследований (RU)

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.

 

Область техники

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.

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 и расстояние между сосудами. 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 не достаточным как по диапазону измеряемых углов, так и точности измерения. Для решения данной задачи были предложены различные способы и устройства.

Известен способ определения угла наклона и датчик угла наклона [2], в котором применяется магнитная жидкость, помещенная в U-образный трубчатый гидроуровень, на одном из концов которого выполнена обмотка, связанная с электрической схемой. При наклоне U-образного трубчатого гидроуровня магнитная жидкость попадает в зону обмотки. По изменению электрической характеристики обмотки регистрируется уровень жидкости в трубке, требуемый для вычисления угла наклона.

Известен способ определения угла наклона и устройство для его осуществления [3], основанный 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 камеры. Расстояние между активным элементом и телом качения регулируется. В зависимости от способа создания чувствительной зоны активный элемент может состоять из: 1) металлических обкладок, расположенных концентрическим образом и образующих электрическую емкость между собой; 2) катушки индуктивности: 3) постоянного магнита. В качестве тела качения может использоваться шар, диск или цилиндр, а поверхность качения выполняют в виде сферы, конуса или поверхности с заданной кривизной. Поверхность для перемещения тела качения имеет фиксированный угол относительно уровня горизонта. При наклоне поверхности качения, превышающем заданный угол, тело начинает катиться под действием силы тяжести до точки, касательная в которой параллельна уровню горизонта. Амплитуда сигнала, формируемого активным элементом, зависит от положения тела качения, что позволяет определять угол наклона.

У этого известного технического решения имеются недостатки:

- при реализации поверхности для качения в симметричном виде в плоскости XY (сфера, конус и другие, заявляемые автором) направление качения, а следовательно, и угол наклона, является неопределенным при заявленных способах регистрации, так как при одинаковом отклонении в любую сторону амплитуда сигнала будет идентичной;

- точность регистрации угла наклона зависит от крутизны катящей поверхности и будет падать с ее увеличением, что требуется для увеличения диапазона измеряемых углов;

- способ определения имеет температурную зависимость, по крайней мере, при емкостном варианте регистрации сигнала, связанную с температурной зависимостью диэлектрической постоянной жидкости.

Известен способ определения угла наклона плоскости по величине емкости конденсаторов, помещенных в сообщающиеся сосуды [4], выбранный в качестве прототипа. Устройство для реализации этого способа содержит два жидкостных конденсатора, помещенные в сосуды из диэлектрического материала. Сосуды установлены на общей подложке на определенном расстоянии относительно друг друга и соединены между собой трубкой. Верхние обкладки конденсаторов плавают на поверхности жидкости, а нижние обкладки подключены к нулевому проводу устройства. 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, определяемый линией горизонта и линией, проходящей через центры основания сосудов. Влияние неточности измерения размеров устройства компенсируется с помощью предварительной калибровки. Влияние температуры на точность измерения емкости также учитывается по зависимости диэлектрической проницаемости жидкости и материала сосудов от температуры.

Ставилась задача разработать устройство измерения угла наклона плоскости с точностью измерения угла (10-6-10-7)° для техники физического эксперимента, что почти на два порядка превышает точность измерения прототипа. Устройство должно отличаться высокой надежностью, доступностью в реализации и удобством в применении. Например, проектируемый ускоритель в рамках международного проекта "Компактный Линейный Коллайдер" (The Compact Linear Collider) [5] должен обеспечить электронный пучок по вертикальной координате порядка 5·10-9 метра [6]. Для обеспечения требований монтаж ускорительных элементов пучка, криомодулей, необходимо выполнять с прецизионной точностью. Поэтому задача контроля угла наклона криомодулей при их установке является важной проблемой.

Раскрытие изобретения

Поставленная задача решается тем, что берется известный способ измерения угла наклона с помощью сообщающихся сосудов посредством измерения уровня жидкости в сосудах емкостным методом. Устройство для реализации способа включает два жидкостных конденсатора, сообщающихся между собой с помощью соединительной трубки. Каждый конденсатор представляет собой сосуд из диэлектрического материала. Сосуды помещаются на общей подложке на определенном расстоянии относительно друг друга. Нижние обкладки конденсаторов крепятся к дну сосуда и подключаются к нулевому потенциалу, а верхние обкладки свободно плавают на поверхности жидкости, помещенной в сосуды. При такой реализации конденсаторов их емкость пропорциональна величине столба жидкости в сосуде, требуемой для вычисления угла наклона плоскости. Кроме того, в устройство введены два автогенератора, прибор для измерения частоты и для каждого конденсатора две индуктивности фиксированной величины, соединенные последовательно. Один вывод соединенных индуктивностей подключается к верхней обкладке соответствующего конденсатора, а другой - к нулевому проводу устройства. Индуктивности совместно с конденсаторами образуют резонансные LC схемы, которые подключены к частотозадающим входам автогенераторов. Выходы автогенераторов подключены к прибору одновременного измерения частоты автогенераторов, значения которых позволяют вычислить угол наклона плоскости по формуле:

φ - измеряемый угол наклона плоскости;

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

k - коэффициент отношения калиброванных площадей обкладок конденсаторов;

HК - калиброванное значение высоты столба жидкости в сосудах при нулевом угле наклона;

ε0 - диэлектрическая постоянная вакуума;

ε - диэлектрическая проницаемость жидкости;

S - калиброванная площадь верхней обкладки конденсатора в первом сосуде;

S - калиброванная площадь верхней обкладки конденсатора во втором сосуде;

L=L1+L2 - суммарная индуктивность LC схемы.

Отношение индуктивностей L2/(L1 и L2) позволяет регулировать амплитуду автогенератора;

f - частота первого автогенератора при калибровке;

f - частота второго автогенератора при калибровке;

f - частота первого автогенератора в режиме определения паразитной емкости соединительных проводов и входа автогенератора;

f - частота второго автогенератора в режиме определения паразитной емкости соединительных проводов и входа автогенератора;

f1 - частота первого автогенератора при измерении угла наклона;

f2 - частота второго автогенератора при измерении угла наклона.

При измерении угла наклона подложка с конденсаторами устанавливается на измеряемую плоскость. В соответствии с принципом работы сообщающихся сосудов уровень жидкости относительно линии горизонта в них будет одинаковым. При этом в зависимости от наклона в одном сосуде высота жидкости относительно нулевого угла наклона уменьшится, а в другом увеличится на одну и ту же величину, что приведет к изменению значения емкостей конденсаторов. Для определения угла наклона плоскости измеряют резонансные частоты каждой LC схемы, образованной индуктивностью фиксированной величины и емкостью конденсатора. Для этого к верхним обкладкам конденсаторов подключают индуктивности фиксированного номинала L=L1+L2, которые совместно с емкостью конденсаторов образуют параллельные резонансные LC схемы. Каждая LC схема используется в качестве частотозадающего узла автогенератора, частота которого пропорциональна высоте столба жидкости и зависит от угла наклона плоскости. Амплитуда сигнала автогенератора регулируется отношением индуктивностей в цепи обратной связи L2/(L1+L2). Приборы измерения частоты имеют более высокую точность, поэтому измерение емкости с использованием частотного преобразования с помощью LC схемы позволяет существенно улучшить точность определения угла наклона плоскости. Чтобы повысить точность определения угла наклона предлагаемого устройства, площади обкладок конденсаторов, высоту столба жидкости в сосудах и паразитные емкости соединительных проводов калибруют при нулевом угле наклона.

Для учета влияния температуры одновременно с измерением угла наклона плоскости 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 - измеряемый угол наклона плоскости;

HК - калиброванное значение высоты столба жидкости в сосуде при нулевом угле наклона;

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

Т - температура окружающей среды при измерении наклона;

ТК - температура окружающей среды во время калибровки;

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

αжК) - значение коэффициента температурного расширения жидкости при температуре калибровки;

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

αс(TК) - значение коэффициента температурного расширения материала сосуда при температуре калибровки;

f1 - частота первого автогенератора при измерении угла наклона;

f2 - частота второго автогенератора при измерении угла наклона;

f - частота первого автогенератора в режиме определения паразитной емкости соединительных проводов и входа автогенератора;

f - частота второго автогенератора в режиме определения паразитной емкости соединительных проводов и входа автогенератора.

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

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами:

1. На фигуре 1 (приложение 1) показано устройство измерения угла наклона плоскости в режиме калибровки.

2. На фиг. 2 (приложение 1) показано устройство для измерения угла наклона плоскости в режиме измерения.

3. На фиг. 3 (приложение 2) приведена зависимость диэлектрической проницаемости воды от температуры.

4. На фиг. 4 (приложение 3) показан вариант реализации схемы автогенератора.

Элементы устройства показаны на фиг. 1 (приложение 1) в режиме калибровки и фиг. 2 (приложение 1) - в режиме измерения угла наклона плоскости. Предлагаемое устройство включает: 1 и 5 - индуктивности резонансных LC схем; 2 и 4 - автогенераторы; 3 - прибор для одновременного измерения частоты автогенераторов; 6 и 7 - сообщающиеся сосуды; 8 и 9 - верхние обкладки конденсаторов; 12 - соединительная трубка; 13 - подложка для установки сосудов; 14 и 15 - нижние обкладки конденсаторов.

Схема автогенератора реализована на основе операционного усилителя с температурной компенсацией - U1. Резонансная LC схема состоит из емкости конденсатора - С, соединенного параллельно с индуктивностями фиксированной величины L1 и L2, причем L=L1+L2. Суммарное значение индуктивностей совместно с емкостью конденсатора определяет частоту колебаний автогенератора. Делитель из индуктивностей (L1 и L2) позволяет подстроить амплитуду сигнала автогенератора пропорционально L2/(L1+L2).

Работа устройства основана на принципе сообщающихся сосудов, который позволяет определить угол наклона плоскости по разности высот столбов жидкости в сосудах и расстоянию между сосудами:

φ - измеряемый угол наклона;

H1 - уровень жидкости в первом сосуде;

Н2 - уровень жидкости во втором сосуде;

R - расстояние между сосудами.

Точность измерения высоты столба жидкости в сосуде можно повысить за счет преобразования высоты жидкости в сосуде в частоту резонансной LC схемы, образованной внешней индуктивностью L фиксированного номинала и емкостью жидкостного конденсатора С. В этом случае формула для вычисления угла наклона плоскости имеет вид:

где:

φ - измеряемый угол наклона;

HК - калиброванная высота столба жидкости в сосудах при нулевом угле наклона;

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

f1 - частота первого автогенератора при измерении угла наклона;

f2 - частота второго автогенератора при измерении угла наклона.

Чтобы обеспечить высокую точность определения угла наклона, площади верхних обкладок конденсаторов и высоту столба жидкости в сосудах калибруют при нулевом угле наклона и измеренной температуре. Элементы способа в режиме калибровки показаны на фиг. 1 (приложение 1). Калибровка позволяет учесть паразитную емкость соединительных проводов, нелинейные эффекты на краях конденсаторов, компенсировать ошибку измерения площади обкладок, с высокой точностью определить первоначальную высоту столба жидкости в сосудах и более точно определить расстояние между сосудами.

Калибровка выполняется следующим образом. Предварительно измеряется площадь верхних обкладок конденсаторов (8, 9), которые равны S и S соответственно для первого и второго конденсатора. Нижние обкладки конденсаторов (14, 15) крепятся на дне сосудов и могут иметь большую площадь. Они соединяются с проводом нулевого потенциала устройства. Критичной является площадь верхних обкладок. Далее сосуды 6 и 7 закрепляют на подложке 13, которую устанавливают на плоскость с нулевым уклоном. Между собой сосуды сообщаются с помощью трубки 12. При отключенных обкладках конденсаторов измеряют паразитные емкости входов автогенераторов и проводов, соединяющих обкладки с входами автогенераторов 2 и 4. В предлагаемом устройстве верхние обкладки конденсаторов подключают к частотозадающим входам автогенераторов 2 и 4. К этим входам также подключают последовательно соединенные индуктивности L1 и L2 фиксированной величины, нижний вывод которых подключается к нулевому проводу устройства. Паразитные емкости проводов и входа автогенератора совместно с индуктивностями 1 и 5 образуют резонансные LC схемы L=L1+L2. Частота автогенераторов определяется фиксированной величиной индуктивности L и паразитной емкостью входа автогенератора и соединительных проводов. Она измеряется прибором измерения частоты 3. По измеренным частотам вычисляются суммарную паразитную емкость в каждом канале регистрации:

ΔC1=1/(2πf)2·L

ΔC2=1/(2πf)2·L

ΔC1 - паразитная емкость входа автогенератора и проводов для подключения конденсатора в первом сосуде;

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

f - частота первого автогенератора в режиме определения паразитной емкости;

f - частота второго автогенератора в режиме определения паразитной емкости;

L=L1+L2 - суммарное значение индуктивности LC схемы.

Затем к проводам подключают верхние обкладки конденсаторов 8 и 9, и в сосуды 6 и 7 наливают определенное количество жидкости. В этом случае уровни жидкости в сосудах 10, 11 будут одинаковыми, а емкости конденсаторов между обкладками 8, 14 (С10) и обкладками 9, 15 (С20) будут отличаться только за счет разницы площадей обкладок, краевых эффектов и определяться соотношениями:

С10 - значение емкости первого конденсатора в режиме калибровки;

С20 - значение емкости второго конденсатора в режиме калибровки;

ε0 - диэлектрическая постоянная вакуума;

ε - диэлектрическая проницаемость жидкости;

Отношение величин емкостей С10 и С20 с учетом измеренных поправок ΔС1, ΔС2 равно отношению калиброванных площадей конденсаторов, которое будет константой при любом количестве жидкости в сосудах. Это позволяет компенсировать относительную ошибку в измерении площадей и учесть краевые эффекты обкладок конденсаторов.

k - коэффициент отношения калиброванных площадей конденсаторов.

Калиброванные значения площадей обкладок выражаются соотношениями:

S=S±ΔS1 S=S±ΔS2

S - калиброванная площадь верхней обкладки первого конденсатора;

S - калиброванная площадь верхней обкладки второго конденсатора;

S - измеренное значение площади верхней обкладки в первом сосуде;

S - измеренное значение площади верхней обкладки во втором сосуде;

ΔS1 - ошибка измерения площади верхней обкладки в первом сосуде;

ΔS2 - ошибка измерения площади верхней обкладки во втором сосуде.

Сосуды изготавливаются одинаковыми по форме и объему. Верхние обкладки конденсаторов также желательно сделать идентичными. Коэффициент k можно определить через измеренные площади обкладок конденсаторов:

При равной ошибке измерения площадей обкладок конденсаторов справедливы соотношения:

p=S/S - отношение измеренных площадей обкладок конденсаторов.

Минимальная ошибка определения площадей обкладок конденсаторов соответствует случаям, когда равные ошибки имеют противоположные знаки:

Знак ошибки площадей выбирается с учетом величин k и p. В случае k<p выбирается положительный знак для ошибки ΔS1 и отрицательный для ΔS2. Для случая k>p знаки ошибок заменяются на противоположные. Следует подчеркнуть, что коэффициент k определяется независимым отношением емкостей при калибровке, а коэффициент p определяется отношением измеренных площадей верхних обкладок конденсаторов. При другой комбинации знаков величина ошибок приближается к значению измеряемой площади, что для данной модели оценки ошибок является неправдоподобным и не рассматривается.

Калиброванные значения емкостей в сосудах C (обкладки 8, 14) и C (обкладки 9, 15) определяются по измеренным частотам автогенераторов:

C=C10-ΔC1=1/(2πf10)2·L-1/(2πf)2·L

C=C20-ΔC2=1/(2πf20)2·L-1/(2πf)2·L

C - калиброванное значение емкости первого конденсатора;

C - калиброванное значение емкости второго конденсатора;

С10 - емкость первого конденсатора в режиме калибровки;

С20 - емкость второго конденсатора в режиме калибровки;

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

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

f10 - частота первого автогенератора в режиме калибровки;

f20 - частота второго автогенератора в режиме калибровки;

f - частота первого автогенератора в режиме определения паразитной емкости проводов и входа автогенератора;

f - частота второго автогенератора в режиме определения паразитной емкости проводов и входа автогенератора;

L=L1+L2 - суммарное значение индуктивности контура.

При калиброванном значении площадей обкладок конденсаторов и их емкостей можно прокалибровать уровень жидкости в сосудах при нулевом наклоне HК, который равен:

Высота столба жидкости, налитой в сосуды, зависит и от диэлектрической проницаемости жидкости. В качестве жидкости предпочтительно выбрать воду. Она обладает высоким значением коэффициента диэлектрической проницаемости (~80), что позволяет сделать компактными размеры сосудов, и безопасна в работе. График зависимости диэлектрической проницаемости воды ε от температуры T приведен на фиг. 3 (приложение 2). Зависимость имеет вид: ε=0.00079T2-0.4Т+88. Относительная ошибка значения диэлектрической проницаемости составляет менее 10-7 во всем диапазоне рабочих температур. Ошибка измерения высоты HК складывается из ошибки определения площади конденсатора, ошибки измерения емкости и ошибки значения диэлектрической проницаемости.

Калибровка площадей конденсаторов и их емкостей с использованием преобразования в частоту позволяет получить ошибку порядка 5×10-8. Ошибка измерения емкостей с помощью частотного преобразования составляет менее 10-7. Поэтому суммарная ошибка определения высоты HК с учетом калибровки не превышает 2×10-7. При оценке точности определения угла наклона следует также учесть ошибку определения расстояния между сосудами. Приборы измерения расстояния в интервале 50-100 см имеют относительную ошибку 10-5-10-6, что существенно ниже точности измерения других параметров устройства. Точность определения расстояния между сосудами можно также повысить за счет калибровки. Для этого устройство устанавливается на плоскость с фиксированным углом наклона. Поскольку остальные параметры устройства прокалиброваны с точностью лучше 10-7, то в формуле зависимости угла наклона неизвестным выбирается расстояние между сосудами, которое определяется с точностью, аналогичной измерению других параметров.

Процесс измерения угла наклона иллюстрирует фиг. 2 (приложение 1). При указанном на фигуре наклоне часть жидкости из сосуда 7 по соединительной трубке 12 будет перетекать в сосуд 6 до установления одинакового уровня в обоих сосудах относительно уровня горизонта. При этом высота столба жидкости 10 в сосуде 6 относительно нулевого угла наклона увеличится на величину h, а высота столба жидкости 11 в сосуде 7 уменьшится на величину h, что приведет к изменению емкостей конденсаторов. Емкость конденсатора в сосуде 6 (обкладки 8, 14) уменьшится и составит

Емкость конденсатора в сосуде 7 (обкладки 9, 15) увеличится и составит:

Значения емкостей C1 и С2 позволяют определить величину изменения столба жидкости в сосудах h:

Величины емкостей С1 и С2 определяются по измеренным частотам автогенераторов:

C1=1/(2πf1)2L, C2=1/(2πf2)2L

f1 - частота автогенератора 2 при измерении угла наклона плоскости;

f2 - частота автогенератора 4 при измерении угла наклона плоскости;

C1 - емкость первого конденсатора (обкладки 8, 14) при измерении угла наклона плоскости;

C2 - емкость второго конденсатора (обкладки 9, 15) при измерении угла наклона плоскости;

ΔC1 - паразитная емкость входа автогенератора 2 и проводов для подключения конденсатора в первом сосуде;

ΔC2 - паразитная емкость входа автогенератора 4 и проводов для подключения конденсатора во втором сосуде;

k - коэффициент отношения калиброванных площадей обкладок конденсаторов;

L=L1+L2 - суммарное значение индуктивности контура.

Из тригонометрических соотношений следует, что угол наклона равен:

где:

φ - измеряемый угол наклона;

HК - калиброванное значение высоты столба жидкости в сосуде;

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

k - коэффициент отношения калиброванных площадей верхних обкладок конденсаторов;

f1 - частота автогенератора 2 при измерении угла наклона;

f2 - частота автогенератора 4 при измерении угла наклона;

f - частота первого автогенератора в режиме определения паразитной емкости входа автогенератора и проводов для подключения конденсатора в первом сосуде;

f - частота второго автогенератора в режиме определения паразитной емкости входа автогенератора и проводов для подключения конденсатора во втором сосуде.

Современные приборы измерения емкости позволяют измерить ее величину с точностью 10-5 пФ. Измерение емкости с помощью предложенного технического решения повышает точность ее измерения, а, следовательно, и точность определения угла наклона плоскости, на два порядка, что подтверждается приведенной ниже оценкой.

Частота резонансной LC схемы и ее изменение от емкости определяются соотношениями:

При частоте автогенератора 1.5·107 Гц и точности ее измерения 0.1 Гц, емкости конденсатора 30 пФ, точность измерения емкости составит dC=4·10-7 пФ. Стандартные приборы измерения частоты имеют точность измерения 10-3 Гц, поэтому точность измерения емкости 10-7 пФ вполне достижима. Основной вклад в ошибку измерения угла наклона будет вносить точность измерения расстояния между сосудами R, которая в результате калибровки также существенно улучшается.

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:

где:

φ - измеряемый угол наклона плоскости;

HК - калиброванное значение высоты столба жидкости в сосуде;

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

Т - температура окружающей среды при измерении угла наклона;

ТК - температура окружающей среды при калибровке;

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

αжК) - значение коэффициента температурного расширения жидкости при температуре калибровки;

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

αс(TК) - значение коэффициента температурного расширения материала сосуда при температуре калибровки;

f1 - частота первого автогенератора при измерении угла наклона;

f2 - частота второго автогенератора при измерении угла наклона;

f - частота первого автогенератора в режиме определения паразитной емкости входа автогенератора и проводов для подключения конденсатора в первом сосуде;

f - частота второго автогенератора в режиме определения паразитной емкости входа автогенератора и проводов для подключения конденсатора во втором сосуде.

Для реализации устройства известны требующиеся приборы и детали. Стеклянную трубку, соединяющую сосуды, можно выбрать в каталоге и заказать в компании SCHOT Tubing [7]. Малый диаметр трубки позволяет компенсировать вибрацию жидкости. Компания выпускает трубки диаметром 1-10 мм и длиной до 3 м. Точность измерения температуры с помощью цифрового термометра РМТЕМР1 [8] равна 0.2° и отвечает предъявляемым требованиям. В качестве прибора измерения частоты можно использовать частотомер фирмы Agilent Technologies 53131А [9], который позволяет регистрировать частоту с точностью 5·10-4 Гц. На фиг. 4 (приложение 3) приведен вариант схемы автогенератора. Отличительной особенностью схемы является высокая стабильность частоты и слабое влияние температуры. В схеме отсутствуют резисторы, наиболее подверженные температурному влиянию, а операционные усилители должны выбираться с учетом наличия в их схеме внутренней температурной компенсации.

Литература

[1] Датчик угла наклона NB3 фирмы SEIKA Mikrosystemtechnik GmbH,

www.prosensor.ru/article63.html

[2] Патент на изобретение №2397443 RU

[3] Патент на изобретение №2455616 RU

[4] Патент на изобретение №2521270 RU

[5] The Compact Linear Collider

http://clic-study.org

[6] "CLIC design, parameters and layout"

http://clic-study.org

[7] Стеклянные трубки компании SCHOT Tubing

www.schot.com

[8] Термометр цифровой PMTEMP1

www.chipdip.ru

[9] Частотомер 53131A, Agilent Technologies.

1. Устройство для измерения угла наклона плоскости, образованного линией горизонта и линией, проходящей через центры основания сосудов, содержащее два жидкостных конденсатора, каждый из которых представляет собой сосуд из диэлектрического материала, сообщающиеся между собой с помощью соединительной трубки и расположенные на определенном расстоянии относительно друг друга на общей подложке, причем нижние обкладки конденсаторов подключены к нулевому потенциалу устройства, а верхние обкладки плавают на поверхности жидкости, отличающееся тем, что в устройство введены два автогенератора, прибор для измерения частоты и две индуктивности фиксированной величины, каждая из которых подключена к верхней обкладке соответствующего конденсатора, индуктивности совместно с емкостями конденсаторов образуют резонансные LC схемы, которые подключены к частотозадающим входам автогенераторов, а выходы автогенераторов подключены к прибору одновременного измерения частоты автогенераторов, значения которых позволяют вычислить угол наклона плоскости по формуле:

где:
,
φ - измеряемый угол наклона плоскости;
k - коэффициент отношения калиброванных площадей обкладок конденсаторов;
HK - калиброванное значение высоты столба жидкости в сосудах;
R - расстояние между сосудами, определяемое по линии между центрами их оснований;
ε0 - диэлектрическая постоянная вакуума;
ε - диэлектрическая проницаемость жидкости;
S1K - калиброванная площадь верхней обкладки конденсатора в первом сосуде;
S2k - калиброванная площадь верхней обкладки конденсатора во втором сосуде;
L=L1+L2 - суммарное значение индуктивности LC схемы;
f1K - частота первого автогенератора при калибровке;
f2K - частота второго автогенератора при калибровке;
f _ частота первого автогенератора в режиме определения паразитной емкости его и соединительных проводов;
f - частота второго автогенератора в режиме определения паразитной емкости его входа и соединительных проводов;
f1 - частота первого автогенератора при измерении угла наклона плоскости;
f2 - частота второго автогенератора при измерении угла наклона плоскости.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что учитывая температуру окружающей среды непосредственно при измерении, корректируется значение угла наклона по формуле:

Где:
φ - измеряемый угол наклона плоскости;
HK - калиброванное значение высоты столба жидкости в сосуде;
R - расстояние между сосудами, определяемое по линии между центрами их оснований;
ТK - фиксированная температура при калибровке;
αж(Т) - значение коэффициента температурного расширения жидкости при температуре измерения угла наклона плоскости;
αжK) - значение коэффициента температурного расширения жидкости при температуре калибровки;
αс(Т) - значение коэффициента температурного расширения материала сосуда при температуре измерения угла наклона;
αс(TK) - значение коэффициента температурного расширения материала сосуда при температуре калибровки;
k - коэффициент отношения калиброванных площадей обкладок конденсаторов;
f1 - частота первого автогенератора при измерении угла наклона плоскости;
f2 - частота второго автогенератора при измерении угла наклона плоскости;
f - частота первого автогенератора в режиме определения паразитной емкости его входа и соединительных проводов;
f - частота второго автогенератора в режиме определения паразитной емкости его входа и соединительных проводов.



 

Похожие патенты:

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.

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 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