НАКЛОНОМЕР Российский патент 1995 года по МПК G01C9/16 G01B17/00 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения и контроля угловых отклонений объекта от вертикального положения.

Известен наклономер, состоящий из корпуса, прокладки, подвеса, двух токопроводящих пластин, диэлектрической прокладки и двух боковых электродов [1]
Известен наклономер, выбранный в качестве прототипа, который содержит корпус, выполненный в виде трубки с жидкостью и воздушным пузырьком, две пары пьезоэлектрических преобразователей, два акустических демпфера, генератор электрических импульсов и измерительное устройство [2]
Известные устройства имеют недостаток, который заключается в невысокой точности измерения угловых отклонений объекта от положения вертикали (вектора гравитации), что вызвано влиянием таких дестабилизирующих факторов среды, как влияния акустических и температурных полей. Это ограничивает область использования устройств и снижает их надежность.

Целью изобретения является повышение точности измерения углов наклона объекта от вертикального положения.

Это достигается тем, что наклономер, содержащий кольцевой звукопровод, взаимодействующие с ним элементы записи и считывания и связанные с ними генератор опроса, блок кодирования и вычислений, дополнительно снабжен поводком-коромыслом с балансом, установленным концентрично с звукопроводом, двумя поляризаторами, установленными на концах коромысла и взаимодействующими со звукопроводом, расположенной на нем отражающей нагрузкой, выходом гальванически связанным с звукопроводом усилителя записи, входом соединенным с опорным входом блока кодирования и вычислений и с выходом генератора опроса, звукопровод выполнен из магнитострикционного материала, а поляризаторы установлены с возможностью перемещения по периметру звукопровода, выводы первого и второго элементов считывания через соответствующие усилители-формирователи считывания подсоединены к сигнальным входам блока кодирования и вычислений.

На фиг. 1 приведена блок-схема наклономера; на фиг.2 вариант выполнения блока кодирования и вычислений; на фиг.3 временные диаграммы, дающие представление о работе наклономера.

Наклономер (фиг. 1) содержит О-образный (кольцевой) магнитострикционный звукопровод 1 с радиусом закругления R, акустический поглотитель 2, отражающую нагрузку 3, поводок-коромысло 4, баланс 5, шарнир 6, первый и второй поляризаторы 7,8, первый и второй сосредоточенные элементы 9,10 считывания, генератор 11 опроса, усилитель 12 записи, первый и второй усилители-формирователи 13,14 считывания, блок 15 кодирования и вычислений, шину 16 управления, n-шины 17 данных и m-шины 18 знака наклона.

Кольцевой звукопровод 1 разделен на две равные части (ветви) акустическим поглотителем 2 и отражающей нагрузкой 3, гальванически подключенной к выходу усилителя 12 записи. С обоих сторон от акустического поглотителя 2 на ветвях звукопровода 1 неподвижно закреплены сосредоточенные элементы 9,10 считывания. Их выводы через первый и второй усилители-формирователи 13,14 считывания подключены соответственно к первому и второму сигнальным входам блока 15 кодирования и вычислений. Его первая и вторая группы выходов подключены к шинам 17 данных и шинам 18 знака наклона.

Опорный вход блока 15 кодирования и вычислений соединен с входом усилителя 12 записи и выходом генератора 11 опроса. Вход последнего подключен к шине 16 управления. На первой и второй ветвях звукопровода 1 закреплены с возможностью перемещения первый и второй поляризаторы 7,8, которые размещаются на Т-образном поводке-коромысле 4 с балансом 5 и имеет кинематическое соединение с осевым центром звукопровода 1 через шарнир 6.

Наклономер работает следующим образом. Первоначально он находится в исходном состоянии (фиг.1). По шине 16 управления подается сигнал "Разрешение", который переводит наклономер в режим работы. Запускается генератор 11 опроса, вырабатывающий прямоугольные видеоимпульсы с частотой следования f_оп 1/Т_оп (фиг.3.а). Эти сигналы поступают на опорный вход блока 15 кодирования и вычислений (фиг.2) и устанавливают в исходное состояние его счетчики 29,30 и RS-триггер 36.

Одновременно сигналы генератора 11 опроса проходят на вход усилителя 12 записи. На его выходе вырабатывается соответствующий токовый сигнал, который проходит в среду магнитострикционного звукопровода 1 и возбуждает под поляризаторами 7,8 упругие волны кручения вследствие магнитомеханического преобразования. Упругие волны в следующий момент начинают распространяться в обе стороны от поляризаторов 7 и 8 по ветвям кольцевого звукопровода 1 со скоростью волны кручения V_кр.

Распространяясь в стороны первого и второго сосредоточенных элементов 9,10 считывания, одни упругие волны по ветвям звукопровода 1 достигают их и ими считываются через искомые интервалы времени (фиг.3 б,в):
T₁= T₃= (1) где l₁,l₃ расстояние от поляризаторов 7,8 до сосредоточенных элементов 9,10 считывания по огибающей звукопровода, определяющих угловое отклонение α баланса 5 от направления вектора гравитации.

Другие упругие волны распространяются по ветвям звукопровода 1 в сторону отражающей нагрузки 3, достигают ее, отражаются без изменения формы и фазы волны и распространяются в стороны сосредоточенных элементов 9,10 считывания, которых достигают и считываются через суммарные временные интервалы (фиг.3 б,в) углового отклонения объекта от вертикали:
T₂= T₄= (2) где l₂,l₄ расстояния от поляризаторов 7,8 до отражающей нагрузки 3 по огибающей звукопровода.

Наведенные аналоговые сигналы считывания на выводах сосредоточенных элементов 9,10 считывания вследствие магнитоупругого преобразования поступают на входы соответствующих усилителей-формирователей 13,14 считывания, где преобразуются в прямоугольные видеоимпульсы считывания (фиг.3 г,д), которыми переключаются счетные триггеры 19-22 блока 15 кодирования и вычислений наклономера (фиг.2, фиг.3 е,ж,и,к). По их сигналам открываются логические элементы И 23, 24 и запускаются измерительные генераторы 25,26, осуществляющие цифровое кодирование временных интервалов углового отклонения объекта с частотой дискретизации f_o 1/Т₀ (фиг.3 з,л).

Счетные импульсы генераторов 25,26 проходят на прямые входы счетчиков 29, 30 и накапливаются, формируя в конце цикла преобразования n-разрядные коды относительных значений угла наклона объекта от вертикали α |l₂ l₄|/0,01745˙R,
N₁= (T₂-T₁)·f_o= 2 · f_o (3)
N₂= (T₄-T₃)·f_o= 2 · f_o (4)
По срезу сигналов триггеров 21,22 через логический элемент ИЛИ 27 запускается одновибратор 28 (фиг.3 м,н), который устанавливает в исходное состояние триггеры 19-22. С выходов счетчиков 29,30 коды (3), (4) проходят на входы цифровых компараторов 31 и коммутатора 33.

Компаратор 31 производит поразрядное сравнение указанных кодов и формирует m-разрядный код знака угла наклона:
N_3н N₁ N₂, (5) которым через логический элемент ИЛИ 32 управляют входами коммутатора 33.

В результате на входы вычитателя 34 с выходов счетчиков 29, 30 поступают коды (3), (4) в однозначном порядке, что позволяет вычислять результирующий код углового отклонения объекта текущего значения:
N_x= N₁-N 2 · f_o
(6)
Вычисленные коды (5), (6) с выходов блока 15 кодирования и вычислений проходят на шины 17 данных и шины 18 знака наклона, формируя сигналы "Угол наклона" и "Знак наклона" соответственно.

В случае переполнения разрядной сетки одного (или обоих) из счетчиков 29, 30 на их выходе переноса формируется сигнал (фиг.3 л), который проходит через логический элемент ИЛИ 35 и переключает RS-триггер 36 в единичное состояние. Формируется сигнал "Ошибка" (фиг.3 о), информирующий о недостоверности вычисленных кодов (5), (6) по шинам 17 и 18 наклономера.

В следующий момент упругие волны, минуя элементы 9,10 считывания, достигают акустического поглотителя 2 и рассеивают свою энергию. На этом цикл преобразования наклономера завершается, он подготовлен к очередному циклу преобразования, который выполняется согласно рассмотренному выше.

Использование ферромагнитного звукопровода и возбуждение упругих волн кручения повышает точность измерения углов наклона объекта поскольку повышается устойчивость к влияниям акустических и температурных полей, упрощается структура устройства, повышается его надежность.

Изобретение относится к контролю углов наклона объектов и может быть использовано при их ориентации в пространстве. Цель изобретения - повышение точности контроля углов за счет использования магнитострикционного кольцевого звукопровода, с которым взаимодействуют узлы возбуждения и считывания акустических сигналов, а также поляризаторы. Они закреплены на коромысле и перемещаются по периметру звукопровода. Коромысло связано с балансом, изменяющим свое положение под действием гравитационных сил. 3 ил.

НАКЛОНОМЕР, содержащий кольцевой звукопровод, взаимодействующие с ним элементы записи и считывания и связанные с ними генератор опроса, блок кодирования и вычислений, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения углов наклона, он снабжен поводком-коромыслом с балансом, установленным концентрично с указанным звукопроводом, двумя поляризаторами, установленными на концах коромысла и взаимодействующими со звукопроводом, установленной на нем отражающей нагрузкой, выходом гальванически связанным со звукопроводом усилителем записи, входом соединенным с опорным входом блока кодирования и вычислений и с выходом генератора опроса, звукопровод выполнен из магнитострикционного материала, указанные поляризаторы установлены с возможностью перемещения по периметру звукопровода, а выводы первого и второго элементов считывания через соответствующие усилители-формирователи подсоединены к сигнальным входам блока кодирования и вычислений.