Устройство для измерения малых углов наклона

(51) 4 С ЫЙ НОМИТЕТ СССР ОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИГОСУД АРС ПО ДЕЛАМ ЬИа:) :,Н:РП Е ИЗОБРЕТЕНИЯ У(54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯМАЛЫХ УГЛОВ НАКЛОНА, содержащее генератор, трансформатор с индуктивнойсвязью, дифференциальный емкостныйдатчик, выполненный в виде сосуда,частично заполненного токопроводящейжидкостью, над поверхностью которойрасположены первый и второй плоскиеэлектроды, систему автоматическогоуравновешивания, первый вход которойподключен к общему электроду датчи"ка - токопроводящей жидкости, ипервый уравновешивающий элемент,выход которого соединен с вторымвходом первого управляемого делителя напряжения, а средняя точка вторичной обмотки трансформатора соединена с выходом первого управляемогоделителя напряженияо т л и ч а ю -щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений путем компенсации погрешности от влияния изменений уровня токопроводящей жидкости, оно снабжено вторым управляемымделителем напряжения, инвертором,вторым уравновешивающим элементом,блоком коммутации и образцовым конденсатором, а в датчик введен третий плоский электрод, расположенныйв одной плоскости с первым и вторымэлектродами посередине между ними,причем выход генератора подсоединенк первым входам управляемых делителей напряжения, к второму входусистемы автоматического уравновешивания и к входу инвертора, выходкоторого соединен с третьим входомпервого управляемого делителя напряжения и через блок коммутации и образцовый конденсатор - с первымвходом системы автоматического уравновешивания, выход системы автоматического уравновешивания через блоккоммутации соединен с входами уравновешивающих элементов, выход второго уравновешивающего элемента соединен с вторым входом второго управляемого делителя напряжения, выходпоследнего, подключен к первичной обмотке трансформатора и через блоккоммутации - к третьему электродудатчика, а концы вторичной обмоткитрансформатора через блок коммутации соединены соответственно с первыми вторым электродами датчикаИзобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения углов наклона объектов.Целью изобретения является повы шение точности измерения путем компенсации влияния изменений уровня рабочей жидкости в датчике.На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства.устройство содержит дифференциаль- ный емкостный датчик 1, частично заполненный токопроводящей жидкостью 2, например ртутью, свободная поверхность которой служит общим электро-5 дом датчика. Внутрь датчика введены три плоских электрода, лежащих в одной плоскости над поверхностью жидкости 2, причем электроды 3 и 4 соединены через блок 5 коммутации с - 20 концами вторичной обмотки 6 трансформатора 7 с тесной индуктивной связью, а электрод 8, .расположенный посередине между электродами 3 и 4, подключен через блок 5 коммутации к выходу второго управляемого делителя 9 напряжения. Выход генератора 10 соединен с первыми входами первого и второго управляемых делителей 11 и 9 напряжения с входом инвертора 12 и вторым входом системы 13 автоматического уравновешивания, выход которой связан через блок 5 коммутации с входами, первого и второго уравновешивающих .элементов 14 и 15, выходы которых соответственно подсоединены к вторым управляющим входам делителей 11 и 9 Кроме того, выход инвертора 12 подключен к третьему (дополнительному) .входу делителя 11 и через блок 5 коммутации и образцовый конденсатор 16 к первому входу системы 13 автоматического уравновешивания, который также соединен с общим электродом 2 датчика 1, выход первого управляе мого делителя 1 1 напряжения соединен с серединой вторичной обмотки 6 трансформатора 7, а выход второго . управляемого делителя 9 - с первич" . ной обмоткой 17 трансформатора 7. Блок 5 коммутации имеет два состояния. В цервом состоянии.в нем замкнуты те ключи, которые соединяют, концы вторичной обмотки 6 трансформатора 7с электродами 3 и 4 датчика, а выход 55 системы 13 автоматического уравнове-, шивания - с входом первого уравнове- шивающего элемента 14. При этом осуществляется собственно измерениеугла наклона. Во втором состояниив блоке 5 коммутации замкнуты теключи, которые соединяют третийэлектрод 8 датчика с выходом второга делителя 9, образованный конденсатор 16 - с выходом инвертора 12, а выход системы 13 автоматического уравновешивания - с входом второго уравновешивающего элемента 15. Приэтом осуществляется процесс компенсации, В процессе работы второе состояние предшествует первому. Состояние блока коммутаций можно изменять вручную,улн с помощью специальных импульсов, вырабатываемых системой 13 автоматическогоуравновешивания после достижениясостояния равновесия. В качестве уравновешивающих элементов предлагается использовать реверсивные счетчики импульсов, а вкачестве управляемых делителей напряжения -цифроаналоговые преобразователи.Подключение инвертора 12 к первомууправляемому делителю 11 напряжения необходимо для задания некоторого начального смещения, обеспечивающего уравновешивание устройствапри измерении наклонов как в одну,так и в другую сторону от горизонтального положения. Информация означении измеряемого угла наклонаснимается с выхода первого уравновешивающего элемента 14,Устройство работает следующим об.разом., В состоянии блока 5 коммутации,соответствукщем измерению, при некотором наклоне датчщса на входесистемы 13 автоматического уравновешивания появляется разность токов,протекающих через конденсаторы, образованные соответственно плоскими ".электродами 3 и 4 и общим электродом 2 датчика. При этом с выходасистемы 13 автоматического уравновешивания на уравновешивающий элемент14 начинают поступать команды (например, импульсы), что приводит кизменению его состояния и соответственно к изменению выходного напряжения П управляемого делителя 11.Для состояния равновесия, при котором сигнал на выходе системы 13автоматического уравновешивания отсутствует, можно записать выражениедля этого напряжения1Б,к =0 - сА2 с 1 11747 где 0 - напряжение, снимаемое с половины вторичной обмотки бтрансформатора 7;1 - расстояние между центрамиплоских электродов 3 и 4;д - начальный зазор конденсаторов(при горизонтальном положениидатчика);А- измеряемый угол наклона.В выражение (1) входит параметр Й, который обладает значительной нестабильностью, например температурой. Для устранения погрешности от неста 15 бильности зазора перед измерением производится регулировка напряжения 0 таким образом, чтобы изменение за зора не влияло на результат измерения. Для этого блок 5 коммутации. 20 перед измерением переключают во второе состояние, при этом на вход системы 13 автоматического уравновешивания.поступает разность токов, нро-.25 текающих через образцовый конденсатор 16 и конденсатор, образованный плоским электродом 8 и общим электродом датчика, емкость которого практичес- . ки не изменяется .при малых углах наклона, а зависит толькоот зазора О (предполагается, что между электродами находится воздух, диэлектрическая проницаемость которого равна единице и остается постоянной при значительных изменениях температуры). 35 Принимая, что количество витков первичной обмотки 7 равно половине витков вторичной обмотки 6 трансфор 48 4матора 7, можно записать условие ранновесия схемы, когда блок 5 коммута-,ции находится во втором состоянии Сад 8(2) где Бг - напряжение генератора 10;8 - площадь электрода 8;Сь - емкость образцового конденсатора.Напряжение О, равное выходному напряжению второго управляемого делителя 9, не изменяется при переключении блока 5 коммутации в режим измерения, так как остается неизменньи состояние второго уравновешивающего элемента 15 при отключении его входа от выхода системы 13. автоматического уравновешивания. 28А= - Р =КР, С 1 где К - постоянная величина, равная28С 1Таким образом, измеряемый угол Апрямопропорционален коду на выходе уравновешивающего элемента 4, когда схема находится в состоянии равновесия. Подставляя выражение (2) в выраже-.ние (1) и учитывая, что Выходнымпараметром Р устройства является кодна выходе уравновешивающего элемента14, определяемый отношением, получаемокончательное выражение для угланаклона:.Черни ПодписноР аказ 5 4 5 иал ППП ент О/41ВНИИПИ Гопо делам035, Москва,Тираж 6дарственизобрете