Дифференциальный индуктивно-емкостный преобразователь углов наклона (его варианты)

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯклвтовскомю свидятвльствь ли 994913 Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик(51)М. Кл,(22)Заявлено 24. 12.80(21) 3222572/18-10 с присоединением заявки М -С 01 С 9/Об ГееударствеииыЯ кфвитет СССР вв алан имбретеииЯ. и етхрытнЯ(23) Приоритет -Опубликовано 07.02.83, Бюллетень ЮтДата опубликования описания 07. 02. 83.И.Даников, Т,С.Даникова, А.А.Головина и Московский институт э 1 Заявитель ктронного машино 5 ч) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬ РЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛ ерительройста объекНедостатком известного преобразователя углов наклона является относительно низкая чувствительность измерения углов наклона. Это объясняетсятем, что в колебательном 1.С-контуречувствительной к углу наклона являетсятоль ко емкость преобразователя, в то время как индуктивность контура не претерпевает изменений. Кроме того, вконструкции известного дифференциального емкостного преобразователя практически не используется. в качествеинформативного объема пространство,занимаемое грузом, прикрепленным книжней части среднего маятника, чтотакже является. Фактором, не позволяющим получить максимально возможнуючувствительность измерения углов наклона объектов по отношению к объему, в занимаемому конструкцией дифференциального емкостного преобразователя,ы ем дногоыйтоге Изобретение относится к изм ной технике, в частности к уст вам для измерения углов наклон та относительно горизонта.Наиболее близким к изобретению по технической .сущности является дифференциальный емкостный преобразователь углов наклона объекта относительно горизонта, состоящий из трех плоских маятников, образующих электроды преоб разователя. В нем все три электрода размещены на маятниках, причем центр тяжести среднего маятника находится ниже его оси опоры, расположенной на высоте, меньшей половины расстояния от основания корпуса до осей опор бо-. ковых маятников. Наиболее высокочувствитель ,мерения осуществляют включени ного дифференциального емкост преобразователя в колебательн 1.С-контур высокочастотного ав нератора 1 3 . ИНДУКТИВНО-ЕИКОСТНЫЙНАКЛОНА (ЕГО ВАРИАНТЫ Целью изобретения является увеление чувствительности измерения у3 99913 лов,наклона объектов без увеличения его габаоитов.Указанная цель достигается тем, что в дифференциальном емкостном преобразователе углов наклона, по пер- вому варианту, содержащем корпус и электроды, включенные в задающие колебательные контуры высокочастотных С-автогенераторов,. причем боковые электроды размещены на маятниках, а 10 центр тяжести среднего электрода- маятника находится ниже его оси опоры, расположенной на высоте, меньшей половины расстояния от основания корпуса до осей опор боковых маятников, 1 з на нижних гранях боковых электродов размещены катушки индуктивности прямоугольной формы, торцевые поверхности которых параллельны поверхностям электродов, а нижний груз среднего электрода выполнен в виде взаимодействующего с катушками индуктивности прямоугольного параллелепипеда, изготовленного из электропроводящего материала, две боковые грани которого параллельные торцевым поверхностям катушек индуктивности, причем при изготовлении прямоугольного параллелепипеда из ферромагнитного материала каждый боковой электрод с размещенной на нем катушкой индуктивности образует отдельный задающий колебательный контур высокочастотного С-автогенератора, а при изготовлении прямоугольного параллелепипеда 35 из немагнитного матеоиала отдельный задающий колебательный контур высокочастотного С-автогенератора образует боковой электрод с катушкой индуктивности, размещенной на другом 40 боковом электроде. лельны поверхностям среднего электрода и боковым поверхностям прямоугольных параллелепипедов, изготовленныхиз электропроводящего материала иимеющих размеры торцевых поверхностей,равные размерам торцевых поверхностейвнутренних окон каркасов катушек индуктивности, при этом прямоугольныепараллелепипеды размещены на нижнихгранях боковь 1 х электродов так, чтокаждый из них сдвинут на боковыхэлектродах друг относительно другана расстояние, равное торцевой поверхности катушки индуктивности, причем при изготовлении прямоугольныхпараллелепипедов из ферромагнитногоматериала отдельный задающий колебательный контур высокочастотного Ы-,автогенератора образует катушка индуктивности и боковой электрод с размещенным напротив катушки индуктивности. прямоугольным параллелепипедом,а при изготовлении прямоугольных параллелепипедов из немагнитного мате-.риала отдельный задающий колебательныйконтур высокочастотного С-автогенератора образует катушка индуктивностии боковой электрод с прямоугольнымпараллелепипедом, сдвинутым на боковом электроде относительно катушкииндуктивности на расстояние, равноеторцевой поверхности катушки индуктивности,В дифференциальном емкостном преобразователе углов наклона, по второму варианту, содержащем корпус и45 электроды, включенные в задающие колебательные контуры высокочастотных Г-автогенераторов, причем боковые электроды размещены на маятниках, а центр тяжести среднего электрода маятника находится ниже его оси опо 50 ры, расположенной на высоте, меньшей половины расстояния от основания корпуса до осей опор боковых маятников, нижний груз среднего электрода выполнен в виде двух параллельно расположенных доуг относительно друга катушек индуктивности прямоугольной формы, торцевые поверхности которых паралНа фиг,1 изображена принципиальная схема конструкции дифференциального индуктивно-емкостного преобразователя углов наклона объекта с катушками индуктивности, расположенными на нижних гранях боковых электродов; на Фиг.2 - принципиальная схема конструкции дифференциального индуктивно-емкостного преобразователя углов наклона объектов с катушками индуктивности, применяемыми в качестве нижнего груза среднего электрода; на фиг 3 изображена блок-схема электронного измерительного преобразователя.Преобразователь по первому варианту содержит корпус 1, внутри которого установлены три плоских емкостных электрода 2, 3 и 1, прикрепленные к трех параллельным опорам 5, 6 и 7, На нижних гранях боковых электродов 2 и 1 размещены катушки индуктивности 8 и 9 прямоугольной Формы. Торцевые поверхности катушек индуктивности параллельны поверхностям боковых электродов. Нижний груз среднего электро5 9949 да 3 выполнен в виде взаимодействующего с катушками индуктивности 8 и 9 прямоугольного параллелепипеда 10, изготовленного из электропроводящего материала. Боковые поверхности прямо угольного параллелепипеда, обращенные в катушкам индуктивности, параллельны торцевым поверхностям катушек индуктивности.Преобразователь по второму вариан О ту содержит корпус 1, идентичный корпусу преобразователя (фиг.1), а также установленные внутри корпуса три плоских емкостных электрода 2,. 3 и 4, прикрепленные к тоех параллельным опорам 15 5, 6 и 7, На нижних гранях боковыхэлектродов 2 и 4 размещены прямоугольные параллелепипеды 11 и 12, изготовленные из электропроводящего материала. Нижний груз среднего электрода 3 выполнен в виде двух параллельно расположенных друг отйосительно друга катушек индуктивности 13 и 14 прямоугольной Формы. Торцевые поверхности катушек индуктивности 13 и 14 параллельны 25 поверхностям среднего электрода 3 и боковым поверхностям прямоугольных.параллелепипедов 11 и 12. Размеры торцевых поверхностей прямоугольных параллелепипедов 11 и 12, обращенных в ка- ЗО тушкам индуктивности 13 и 14, равны торцевым поверхностям внутренних окон каркасов 15 и 16 катушек индуктивностей 13 и 14, Прямоугольные паралле лепипеды 11 и 12 размещены на нижних з 5 гранях боковых электродов 2 и 4 так, что каждый из них сдвинут на боковых электродах друг относительно друга на расстояние, равное торцевой поверхности катушки индуктивности. При этом 4 о торцевая поверхность прямоугольного параллелепипеда 11 расположена напротив торцевой поверхности внутреннего окна каркаса 15 катушки индуктивности 13, а торцевая поверхность а 5 прямоугольного параллелепипеда 12 рас- положена напротив торцевой поверхности внутреннего окна каркаса 16 катушки индуктивности 14.350В случае изготовления прямоугольных параллелепипедов 10, 11 и 12 из ферромагнитного материала емкость конденсатора С 1 можду электродами 2 и 3 и индуктивность 1.1 катушки индуктивности 8 в конструкции преобразователя, изображенного на фиг.1, или индуктивность 3 катушки индуктивности 13 в конструкции преобразо 13 бвателя, изображенного на Фиг.2, образуют отдельный задающий колебательный контур, включаемый в цепь высокочастотного С-автогенератора 17 Емкость конденсатора С 2 между электродами 3 и 4 и индуктивность 1.2 ка- .тушки индуктивности 9 в конструкцийпреобразователя, изображенного нафиг.1, или индуктивность 1.4 катушкииндуктивности 14 в конструкции преобразователя, изображенного на Фиг.2,образуют другой отдельный задающийколебательный контур, включаемый вцепь высокочастотного С-автогенератора 18.В случае изготовления прямоугольных параллелепипедов 10, 11 и 12 изнемагнитного материала отдельный задающий колебательный контур высокочастотного С-автогенератора 17 образует емкость конденсатора С 1 междуэлектродами 2 и 3 и индуктивность 2катушки индуктивности 9 или индуктивность й катушки индуктивностй 14.Другой отдельный задающий колебатель".ный контур высокочастотного С-автогенератора 18 образует емкость конденсатора С 2 между электродами 3 и 4и индуктивность 1.1 катушки индуктивности 8 или индуктивность 3 катушкииндуктивности 13. ВысокочастотныеС-автогенераторы 17 и 18 образуютдифференциальную схему измерениъ Выходы высокочастотных Л-автогенераторов 17 и 18 присоединены к смесителю 19, выход которого через Фильтрнижних частот 20, усилитель-ограничитель 21 присоединен к электронномучастотомеру 22, индицирующему разностную частоту высокочастотных .С-автогенераторов 17 и 18, представляющуюсобой информацию об угле наклона измеряемого объекта относительно горизонта,Принцип работы дифференциальныхиндуктивно-емкостных преобразователей, изображенных на фиг.1 и Фиг.2одинаков, Поэтому рассмотрим принципработы преобразователя по первому .варианту для случаев изготовленияпрямоугольного параллелепипеда 10 изферромагнитного и немагнитного мате"риалов,Дифференциальный индуктивно-емкостный преобразователь в случае изготовления прямоугольного параллелепипеда 10 из ферромагнитного материала работает следующим образом.99Если корпус преобразователя установлен горизонтально (угол наклона о = 0 ), то расстояние между боковыми и центральными электродами, а также между торцевыми поверхностями 5 прямоугольного параллелепипеда и катушек индуктивности одинаково. При этом величины емкостей и индуктивностей, включенных в два колебательных контура высокочастотных 1.С-автогенераторов, равны, т.е.С 1= Е 2 Г1 1 22В результате этого на выходе генераторов 17 и 18 будут одинаковые частоты. Преобразовывая частоты двух генераторов 17 и 18 по схеме (фиг.3), на индикаторе частотомера 22 получаем нулевую частоту, так как1 - 1- = 01.1 С 1 1. С При наклоне объекта, а следовательно, и дифференциального индуктивно-емкостного преобразователя, в плоскости маятников (например, в пра-вую сторону) левый электрод 2 с катушкой индуктивности 8 приближается к центральному электроду 3 с размещенным на нем прямоугольным параллелепипедом 1 О, а правый электрод ч с каЭО тушкой индуктивности 9 удалится от центрального электрода 3 с размещенным на нем прямоугольным параллелепипедом 10, При этом величина емкости С 1 между электродами 2 и 3 увеличится, а величина емкости С 2 между электродами 3 и 1 уменьшится. В результате взаимодействия электромагнитных полей катушек индуктивностей 8 и 9 с ферромагнитным прямоугольным параллелепипедом величина индуктив 40 ности 1.1 катушки индуктивности. 8 увеличится, а величина индуктивности 1.2 катушки индуктивности 9 уменьшит/ся. численные значения изменения величин индуктивностей 1.1 и (.2 катушек индуктивностей 8 и 9 при изменении расстояния между их торцевыми поверхностями и торцевыми поверхностями ферромагнитного прямоугольного параллелепипеда можно получить из выражений, приведенных в работе Соболева В,С., Шкарлета И,М. Накладные и экранные датчики), Таким образом, емкость С 1 между электродами 2 и 3 и индуктивность 1 катушки индуктивнос-ти 8 увеличит свои значения при максимальном угле наклона преобразователя с =о. примут максимальные 913 8свои значения, т.е, (-1 С 1 = "макс СмдксЯДКс М 01 кс а емкость С 2 между электродами 3 и ч и индуктивность 2 катушки индуктивности 9 уменьшат свои значения и при максимальном угле наклона преобразователя примут минимальные значения, т.е. С -- 1 .С,;р. При этом в случае максимального угла наклона преобразователя частота генератора 17 с контуром 1.1 С 1 будет минимальной, т.е,а частота генератора 18 с контуром 1.2 С 2 максимальной, т.е, Гщ =Г,. Преобразовывая частоты этих генераторов по блок-схеме (фиг.3), на индикаторе частотомера 22 получим максимальное значение разностной частоты генераторов 17 и 18, соответствующее максимальному углу наклона преобразователя. Наклон преобразователя в левую сторону вызовет обратное идентичное изменение параметров емкостей и индуктивностей дифференциального индуктивно-емкостного преобразова теля углов наклона объектов. В случае изготовления прямоугольного параллелепипеда 10 из немагнитного материала при максимальном наклоне преобразователя, например в правую сторону, величина емкости С 1 между электродами 2 и 3 станет максимальной, а величина индуктивности 1 катушки индуктивности 8 в результате взаимодействия ее магнитного поля с вихревыми токами, наводимыми этим полем на поверхности прямоугольного параллелепипеда, станет минимальной, в то же время величина емкости С 2 между электродами 3 и ч станет минимальной, а величина индуктивности 1.2 катушки индуктивности 8 в результате взаимодействия ее электромагнитного поля с вихревыми токами, наводимыми этим полем на поверхности прямоугольного параллелепипеда, станет максимальной,Для изменения емкости и индуктивности колебательных контуров генераторов 17 и 18 в одну сторону при изменении угла наклона преобразователя катушки индуктивности необходимо в этом случае включать в противоположные по отношению к боковым электродам колебательные контуры высокочастотных (.С-автогенераторов, Таким образом, емкость С 1 между электродами 2 и 3 и индуктивность Е 2 будут иметь максимальные значения при максимальном угле наклона преобразователя в правую сторону, а емкость С 2 между50 Формула изобретения 9 99491 электродами 3 и 4 и индуктивностьбудут при этом иметь минимальные значения. Частота генератора 17 с контуром Е 2 С будет минимальной, т.е.а частота генератора 18 с 5 контуром 1 С 2 будет максимальной, .т.е. Йа =Г, Преобразовывая эти частоты по блок-схеме (фиг.3), получим на индикаторе частотомера 22 максимальную разностную частоту генераторов 17 и 18, соответствующую максимальному - углу наклона преобразователя. Наклон преобразователя в левую сторону вызовет обратное идентичное изменение параметров емкостей и индуктивностей дифференциального индуктивно-емкостного преобразователя углов наклона обьектов.Физический принцип работы дифференциального индуктивно-емкостного . 20 преобразователя по, второму варианту (фиг.2) идентичен принципу работы преобразователя по первому варианту (фиг. 1) .Исследования экспериментальных об разцов дифференциальных индуктивноемкостных преобразователей углов наклона подтвердили возможность значительного увеличения чувствительности измерения углов наклона объектов без 30 увеличения гагаритов предлагаемого . преобразователя по сравнению с конструкцией известного дифференциального емкостного преобразователя. В разработанных конструкциях дифференцИальЗ 5 ных индуктивно-емкостных преобразователей получена чувствительность6,5 кГц/с на частоте 5,0 ИГц, в то время как чувствительность конструкции известного преобразователя равна ю 0 3,6 кГц/с.Технико-экономический эффект изобретения заключается в значительном увеличении чувствительности проводимых измерений углов наклона обьекта без увеличения габаритов конструкции преобразователя. 1. Дифференциальный индуктивноемкостный преобразователь углов наклона, содержащий корпус и электроды, включенные в задающие колебательные контуры высокоцастотных 1 С-автогенераторов, причем боковыеэлектроды размещены на маятниках, а центр тяжести среднего электрода-маятника находится ниже его оси опоры, расположенной на высоте, меньшей половинырасстояния от основания корпуса доссей опор боковых маятников, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с цельюувеличения чувствительности измерения без увеличения габаритов преобразователя, на нижних гранях боковыхэлектродов размещены катушки индуктивности прямоугольной формы, торцевые поверхности которых параллельны поверхностям электродов, а нижний груз среднего электрода выполнен в видевзаимодействующего с катушками индуктивности прямоугольного параллелепипеда изготовленного из ферромагнитного материала, две боковые граникоторого параллельны торцевым поверх"ностям катушек индуктивности, причем каждый боковой электрод с размещенной на нем катушкой индуктивности образует отдельный задающий коле ательный контур высокочастотного С-авто- генератора.2. Преобразователь по п,1, о т - л и ч а ю щ и й с я тем, что прямоугольный параллелепипед выполнен из немагнитного материала, причем отдельный задающий колебательный контур высокочастотного С-автогенератора образует боковой электрод с катушкой индуктивности, расположенной на дру.- гом боковом электроде.3. Дифференциальный индуктивноемкостный преобразователь углов накло. на, содержащий корпус и электроды,включенные в задающие колебательныеконтуры высокочастотных 1.С-автогенераторов, причем боковые электродыразмещены на маятниках, а центр тяжести среднего электрода-маятника находится ниже его оси опоры, расположенной на вьсоте, меньшей половинырасстояния от основания корпуса до осей опор боковых маятников, о т л ич а ю щ и й с я тем, цто, с цельюувеличения чуствительности измерения без увеличения габаритов преобразователя, нижний груз среднего электродавыполнен в виде двух параллельно рас" положенных друг относительно друга катушек индуктивности прямоугольнойформы, торцевые поверхности которыхпараллельны поверхностям среднегоэлектрода и боковым поверхностям прямоугольных параллелепипедов, изготовленных из электропроводящего материала и имеющих размеры торцевых11 991913 12поверхностей, равные торцевых поверх- друга на расстояние, равное торцевойностей внутренних окон каркасов ка- поверхности катушки индуктивности.тушек индуктивности, при этом прямо- Источники информации,угольные параллелепипеды размещеныпринятые во внимание при экспертизена нижних гранях боковых электродов1. Авторское свидетельство СССРтак, .что каждый из них сдвинут на бо- У 731288, кл. С 01 С 9/16, 21.12.71ковых электродах друг относительно . (прототип),. Составитель В,ДроздовРедактор Н.Пушненкова Техред И, Надь Корректор И.Ш Заказ 625/25 оми иск жП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Фили Тираж 600 ИИПИ Государственного по делам изобретений 35, Москва, Ж, Рау Подписнота СССРытий