Устройство для измерения малых углов наклона

.РЕСПУБЛИН 3(59 6 01 С 9/18 НИЯ СТВУ ГОСУДАРСТВЕННЬ 9 КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТИРЫТИИ ОПИСАНИЕ ИЗ Н АВТОРСКОМУ СВИЩЕТ(71) Институт электродинамики АН Укоаинской ССР(56) 1. Патент Канады Р 1100212,л. Сг 0 В 7/30, 28,04,81,2. Полищук В.И, Методы автомати-зации измерений линейных перемещенийвысоких ба аенных сооружений, - фГеодезия, картография и аэрофотосъемка", 1980, Р 1, с. 125-128,3. Патент Франции Р 2076850,кл. 4 01 С 9/00, 30.0170 (прототип),(54)(57) УСТРОЙСТВО цЛЯ ИЗДАН"РЕНИЯКАЛЫХ УГЛОВ НАКЛОНА, содержащее дифференциальный емкостный датчик, дваконденсатора которого образуют двасмежных плеча мостовой измеритель"ной цепи, генератор, усилитель,вход которого соединен с общим электродом конденсаторов дифференциально.ЯО, 425 А го 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- Е 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 Яобмотки, а выход фильтра нижних частот связан с коммутатором числа витков,Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к устройствам для измерения углов наклонаобъектов.Известны устройства для измеренияугла наклона, содержащие дифферен"циальный емкостный датчик, источникпеременного тока, усилитель, амплитуднофазовый детектор и показывающее устройство. В качеотэе дифференциального емкостного датчика используется пузырьковый уровень с введенными внутрь электродами Ц,Однако это э.атрудняет получениелинейной характеристики измерений и,кроме того, снижает технологичностьустройства.Недостатками устройства являютсятакже малая дистанционность и низкая точность измерений из-эа влияния параэитных емкостей, в част"ности, емкостей соединительныхкабелей между емкостным датчикоми остальной частью устройства.Известны электронные наклономерыв которых также используются пузырьковые уровни 2,Однако повышение дистаНционностиданного наклономера достигаетсяразмещением части измерительной схе"мы в корпусе датчика, что увеличива"ет его размеры и ограничивает область применения устройства,Наиболее близким к изобретениюпо технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения малых отклонений отгоризонтали, содержащее дифферен"циальный емкостный датчик, генераторпитающий мостовую измерительную цепь,к выходу которой последовательноподсоединены схема с большим входным сопротивлением, дифференциальныйусилитель, Фаэочувствительный детектор синхронный демодулятор), второйвход которого соединен с выходом,генератора, и фильтр нижних частот,В качестве датчика используется сосуд, частично заполненный токопроводящей жидкостью, например, ртутью,над поверхностью которой размещеныдва плоских электрода. Два конденсатора диФФеренциального емкостногодатчика, каждый иэ которых образован соответственно плоским электродом и свободной поверхностью токопроводящей жидкости, являющейся общим электродоМ, образуют два смежных плеча мостовой измерительнойцепи. Два других смежных плеча образованы двумяобразцовыми конденсаторами 3,Недостатками известного устройства являются низкая точность иограниченная дистанционность измерения, обусловленные применениемнеуравновешенной мостовой цепи, изза чего на показания влияют нестабильность напряжения питающего гене"ратора и нестабильность входногосопротивления усилителя влияниемна показания параэитных емкостныхсвязей, .в том числе, собственной емкости соединительных проводов междудатчиком и измерительной цепью, функ"цией преобразования устройства, предстаэлякщей собой отношение двх емкостей. конденсаторов датчика, нели 10 нейность которой начинает сказываться при измерении углов порядка стаугловых секундеЦелью изобретения является повышение точности и увеличение дис 15 танционности измерения,Поставленная цель достигаетсятем, что в устройство для измерения малых углов наклона, содержащеедифФеренциальный емкостный датчик,0 два конденсатора которого образуютдва смежных плеча мостовой измерительной цепи, генератор, усилитель,вход кОторого соединен с общим элек"тродом дифференциального емкост 5 ного датчика фаэочувствительныйдетектор, один иэ входов которогосоединен с генератором, а второйс выходом усилителя, и Фильтр нижних частот, который соединен с выходом Фазочувствительного:детектора,З 0 дополнительно введены трансФорматорс индуктивной связью и коммутаторчиСЛа витков, причем первичная обмотка трансформатора подключена кЕгенератору, концы первой вторичной35 обмотки, имеющей отвод от середины,подключены к крайним электродам конденсаторов дифференциального емкостного датчика, вторая вторичная обмотка с регулируемым числом витков40 и третья вторичная обмотка с постоянным числом эитков соединены последовательно и встречно и включенымежду землей и серединой первойвторичной обмотки, а выход фильтранижних частот связан с коммутатором45 числа витков,На чертеже представлена блок" схема предлагаемого устройства,Устройство содержит генератор 1,выход которого соединен с первичнойобмоткой 2 трансформатора 3 тесной индуктивной связью, Две равныесекции 4 и 5 первой вторичной обмотки своими крайними концами соединеныс двумя плоскими электродами б конденсаторов дифференциального емкостного датчика 7, а общий электрод 8конденсаторов, роль которого выполняет свободная поверхность токопроводящей жидкости, соединен с входом60 усилителя 9, Вйход усилителя 9 соединен с одним из. входов Фаэочувствительного детектора 10, второй входкоторого соединен с генератором 1,а выход - с входом фильтра 11 ниж 65 них частот.Коммутатор 12 числа витков связан с второй вторичной обьоткой 13 трансформатора 3 так, что при подаче на вход коммутатора 12 положитель" ного или отрицательного напряжения с выхода Фильтра 11 нижних частот происходит иэменение числа витков обмотки 13 соответственно в сторонУ увеличения или уменьшения, При подаче на вход коммутатора 12 нулевого напряжения регулирование числа вит ков обмотки 13 прекращаетсйи набран-. ное число витков сохраняетея неиз-. менным, В качестве коммутатора 12 может быть применен, например, рааер, сивный двигатель с йереключателеМ: 4 Я 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 13Обмотки 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 урав" новешивание устройства при измеренйи 35 наклонов как в одну, так и в другую сторону от горизонтального положения,Устройство работает следующим образом 40Предположим, 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 б. При 50 отсутствии наклона емкости конденсаторов равны, и сигнал, снимаеьаай с общего электрода 7 конденсаторов, равен нулю, При наклоне датчика 7 емкости С и С конденсаторов иэ меняется, причемЕб Е 5С,ф -С=а х =ах 6) где. Е - диэлектрическая проницаемость газа в зазоре конденсаторов для воздуха Е й 1);6 - площадь плоского электрода;3 - начальный зазор конденсаторов С,и, С 1,Х - приращение зазора вследствие наклона (для малых углов наклона перемещениеэлектродов конденсаторовможно считать плоскопараллельным,После усиления усилителем 9 разностный сигнал поступает на фазочувствительный детектор 10, постоянный сигнал.с выхода которого Филь"труется Фильтром 11 нижних частот,который, в частности, служит дляослабления влияния колебаний поверхности жидкости 8 датчика 7. Напряжение той или иной полярности свыхода Фильтра 11 нижних частот воздействует на коммутатор. 12 числа витков, который изменяет в ту или инуюсторону число витков обмотки 13,При этом на середину первой вторичной обмотки трансформатора 3(на точку соединения секций 4 и 5подается напряжение аО соединенныхпоследовательно и встречно. обмоток13 и 14, В зависимости от Фазы этогонапряжения оно складывается или вы"читается с напряжениями секций 4и 5 первой вторичной обмотки трансформатора 3, причем всегда увеличению напряжения на одном плоском.электроде датчика соответствует такое же уменьшение напряжения надругом, 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, условиекоторого выражается следующей Фор"мулой:О+аО)С -О-ьО)С,=О, 2)где0 - напряжение, снимаемое споловины с секции 4 илис секции 5) первой вторичной обмотки трансформато"ра 3.Подставив значения С и С иэ (1),в условие равновесия 2) и обоз"начив ЮУ м выражение д 4.х=др.Величину Х , кроме того, можноопределить иэ выражения:х =-р6(5)где 1 - расстояние между центрами1плоских электродов,К - угол наклона,Для малых углов наклона 1 рК можно.заменить иа 6 С, тогда- К (6)2Приравнивая выражения (4) и б) по. -лучимЫ=, - Р.р, (7)Эаказ 9817/46 Тираж 602 Подписное1ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035 р Москвау Ж 35 р Раушская набд 4/5 филиал ППП "Патент", г. ужгород, ул, Проектная, 4 где К - постоянная величина, равнаяг 3/1,Нетрудно заметить из (2) и 31,что предлагаемое устройство реализует функциюР=((81Этим достигается гораздо лучшая линейность выходной характеристикипредлагаемого устройства по сравне"нию с известным при измерении угловнаклона порядка сотен угловых се"кунд,Таким образом, измеряений уголнаклона М прямо пропорционален величине р, которая определяется отношением разности чисел витков обмоток 13 и 14 к постоянному числу витков одной иэ секций первой вторичной,обмотки, Величина разнбсти чиселвитков регулируемой обмотки 13 иобмотки 14 с постоянным количествомвитков однозначно соответствует выходному сигналу коммутатора 12 числавитковТак как напряжение питающего гене ратора ие входит в окончательное выражение (7), то нестабильность егоамплитуды не будет влиять на резуль"тат измерения. Благодаря тесной индуктивной связи обмоток трансформатора соотношение напряжений, подаваемых на плоские электроды б дифференциального емкостного датчика 7, под"держивается практически постояйным,при этом исключается влияние параэитных емкостей соединительных кабелей, В состоянии равновесия сигнална выходе мостовой схемы равен нулю,поэтому емкость соединительного кабеля между датчиком и усилителем и. входное сопротивление усилителя не 4 Овлияют на результат измерения, Такимобразом, повыаается точность иэмерения угла наклона, увеличиваетсядистанционность датчик может находиться на удалении нескольких десятков метров от измерительной схеЬЫ)еИспользование трансформатора стесной индуктивной связью и уравновешенной мостовой схемы выгодно отличает емкостной измеритель малыхуглов наклона от указанных аналогови 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. Приме"некие технологически простого малогабаритного датчика, повышенная дистанционность измерения, а также получение сигнала в цифровой формепозволяют использовать устройство всистемаХ автоматического управления для многоточечного контроляположения объектов,В настоящее время для измерения.малых углов наклона используются пузырьковые уровни, В качестве базового устройства принят электронныйуровень ЭУ, созданный в Институтефизики высоких энергий ГКАЭ СССР,При измерении малых углов (до 50угловых секунд), при длине соеди"нительных кабелей (с погонной емкостью 100 пум) 25-30 м и изменениизначения полных емкостей подводящихкабелей в плечах мостовой измерительной схемы (вследствие изменениятемпературы и т.п,) на. 5"10 погрешность измерения угла предлагаемымустройством не, превышает 0,3-0,5,тогда как погрешность измерения углабазовым устройством (при прочих рав,ных условиях) может достигать 10.