АУДИОЭЛЕКТРОННЫЙ УРОВЕНЬ Российский патент 1997 года по МПК G01C9/24 G01C9/06 

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в строительстве, плотницком деле и в быту, например, для определения горизонтальности полки или вертикальности высверливаемого отверстия.

Обычный плотницкий уровень в пузырьком воздуха в качестве индикатора весьма неудобен тем, что при работе с ним все внимание оператора должно быть сосредоточено на пузырьке, что не всегда допустимо. Считать показания такого уровня достаточно сложно, особенно на некотором удалении, так что как правило, при считывании возникает значительная погрешность. Поэтому широкое распространение получили электронные уровни, содержащие ампулу с электродами, заполненную проводящей жидкостью и электронную схему с выходным индикатором (см. авт. свид. СССР N 415491, G 01 C 9/18 или пат. США N 4531300, C 01 С9/06, 1985). Электронная схема обеспечивает подачу переменного напряжения между питающими электродами ячейки, образованной ампулы с электродами и проводящей жидкостью с пузырьком воздуха или каплей несмешивающийся жидкости с иной проводимостью, и измерение фазы сигнала на измерительном электроде.

Однако и в электронном уровне считывание показаний происходит визуально, что, как уже отмечалось, неудобно, так как требует перерыва в работе оператора, отвлекает его внимание от основной деятельности.

Для устранения этого недостатка были предложены аудиоэлектронные уровни, сочетающие визуальное считывание показаний с аудиоиндикацией (см. патенты США N 3861052, G 01 C 9/06, 1975 и N 4574491, G 01 C 9/06, 1986). Оба устройства содержат корпус, в котором установлены контактные датчики положения (маятниковый датчик или ртутные переключатели), источник питания и звонок.

К недостаткам этих устройств следует отнести низкую чувствительность и узкий рабочий диапазон, а также возможность возникновения "автоколебаний" при работе с прибором. Все эти недостатки обусловлены использованием чувствительных элементов с релейной характеристикой и, соответствующих им, ключевых электронных схем. Дело в том, что контактный датчик положения обладает фиксированной зоной нечувствительности и определенным гистерезисом, причем именно эта зона и является рабочим диапазоном устройства в целом. Попасть в середину этого диапазона, руководствуясь только аудиосигналом, возникающим при прохождении диапазона, затруднительно.

Наиболее близким к изобретению является аудиоэлектронный уровень, содержащий корпус, по меньшей мере, с одной опорной плотностью, в котором установлен с возможность фиксированного поворота ключевой чувствительный элемент, в частности, ртутный переключатель, и размещен электронный блок с выходным звуковым сигнализатором, управляемым ключевым чувствительным элементом (см. пат. США N 3172112, 33 366, 1965).

Благодаря наличию ключевого чувствительного элемента, который управляет звуковым сигнализатором, данному устройству присуще все вышеуказанные недостатки.

В связи с этими техническим результатом, ожидаемым от использования изобретения, является повышение чувствительности уровня, обеспечение возможности регулировки его рабочего диапазона, снижение погрешности отсчета и повышению удобства работы с ним при сохранении простоты, низкой стоимости и высокой надежности.

Указанный результат достигается тем, что в известном аудиоэлектронном уровне, содержащем корпус c одной опорной плоскостью, в котором установлен с возможностью фиксированного поворота чувствительный элемент и размещен электронный блок с выходным звуковым сигнализатором, чувствительный элемент выполнен в виде ампулы с питающими и измерительным электродами, погруженными в проводящую жидкость с неоднородностью по плотности и электропроводности, а электронный блок выполнен в виде генератора, выходы которого подключены к питающим электродам ампулы, и нелинейного фазочувствительного детектора, вход которого соединен с измерительным электродом ампулы, при этом вход звукового сигнализатора соединен с выходом нелинейного фазочувствительного детектора, управляющий вход которого соединен с выходом синхронизации генератора.

Кроме того, нелинейный фазочувствительный детектор может быть выполнен в виде последовательно соединенных фазочувствительного детектора и нелинейного элемента.

При этом нелинейный элемент может быть выполнен в виде управляемого генератора, детектора нуля, модулятора и генератора прерываний, при этом входом нелинейного элемента является объединенные входы детектора нуля и управляемого генератора, выход которого соединен с первым входом модулятора, второй вход которого подключен к выходу генератора прерываний, а выход детектора нуля соединен с управляющим входом модулятора, выход которого образует выход нелинейного элемента.

Кроме того, нелинейный элемент может быть выполнен в виде детектора нуля, трех генераторов, элемента ИЛИ и трех элементов И, при этом входы генераторов соединены с первыми входами элементов И, вторые входы которых подключены ко входу элемента ИЛИ, выход которого образует выход нелинейного элемента, вход которого соединен со входом детектора нуля.

Целесообразно также детектор нуля выполнить в виде двух компараторов с гистерезисом, делителя напряжения и элемента И, при этом выходы делителя напряжения подключены к инвертирующему и неинвертирующему входам компараторов, неинвертирующий и инвертируемый входы которых соединены со входом детектора нуля, выход которого образован выходом элемента И, входы которого соединены с выходами компараторов.

Кроме того, аудоэлектронный уровень может быть снабжен коммутатором, а ампула выполнена тороидальной, с двумя питающими и двумя измерительными электродами, расположенными диаметрально-противоположно, при этом подключение электродов к генератору и фазочувствительному детектору осуществляется через коммутатор.

Указанный результат достигается также тем, что в известном аудиоэлектронном уровне, содержащем корпус, по меньшей мере, с одной опорной плоскостью, в котором установлен с возможностью фиксированного поворота чувствительный элемент и размещен электронный блок с выходным звуковым сигнализатором, чувствительный элемент выполнен в виде ампулы с питающим и измерительным электродами, погруженными в проводящую жидкость с неоднородность по плотности и электропроводности, а электронный блок выполнен в виде генератора, выходы которого подключены к питающим электродам ампулы, и фазочувствительного детектора, вход которого соединен с измерительным электродом ампулы, при этом управляющий вход и выход фазочувствительного детектора соединены с выходом синхронизации генератора и входом звукового сигнал затора, а ампула в месте расположения измерительного электрода выполнена с сужением или минимальной кривизной.

На фиг. 1 и 2 представлен общий вид уровня (вид сверху и сбоку). На фиг. 3 приведена блок-схема уровня, а фиг. 4 и 5 иллюстрируют характеристику нелинейного элемента и его выходной сигнал для одного из примеров реализации данного блока, представленного на фиг. 6. И, наконец, на фиг. 7 и 8 приведены примеры реализации детектора нуля, а на фиг. 9 изображена тороидальная ампула.

Уровень, показанный на фиг. 1, 2, содержит корпус 1, выполненный с опорной плоскостью 2. На оси 3 в корпусе 1 установлен держатель 4, в котором закреплена прозрачная ампула 5, заполненная проводящей жидкостью. На поверхности ампулы 5 нанесены деления 6, а в жидкости имеется неоднородность 7 (пузырек воздуха или капля более легкой жидкости, отличающейся по величине проводимости и цвету (последнее обстоятельство позволяет использовать устройство в качестве обычного пузырькового уровня). Держатель 4 установлен в корпусе 1 с возможностью фиксированного поворота за ручку 8, при этом отсчет угла поворота производится по лимбу 9. В корпусе 1 имеет отсек 10 для элементов электронной схемы и источника питания и отсек 11 для звукового сигнализатора (электрический звонок, громкоговоритель и т.п.). В корпусе 1 установлены также индикаторы 12 14, облегчающие визуальный отсчет, тумблер 15 включения питания и регулятор 16, предназначенный для управления характеристикой нелинейного элемента путем изменения ширины зоны L (фиг. 4, 5). В качестве дополнительной опорной плоскости может быть использован один из торцов корпуса 1. Ампула 5 может быть выполнена и из непрозрачного материала, однако в этом случае точный отсчет угла наклона может быть произведен только на слух.

В ампуле 5 размещены питающие электроды 16 и измерительный электрод 18 (фиг. 3), погруженные в проводящую жидкость и подключенные соответственно к выходу генератора 19 переменного напряжения (выходное напряжение генератора 19 может быть синусоидальным или импульсным, например, иметь вид меандра) и информационному входу фазочувствительного детектора 20, выход которого соединен со входом нелинейного элемента 21, формирующего входной сигнал звукового сигнализатора 22.

Как отмечено выше, возможны различные варианты достижения нелинейной зависимости входного сигнала сигнализатора 22 от угла наклона ампулы 5 относительно горизонта. Так, возможно обеспечить нелинейность, выполнив ампулу 5 с сужением или незначительной кривизной в центральной части, что приведет к резкому изменению потенциала электрода 18 при малых углах наклона и "насыщения" характеристики при больших углах. Можно также обеспечить нелинейность путем введения в схему элемента 21, причем он может быть включен как до, так и после детектора 20, а также включен в его состав. Например, в простейшем случае, детектор 20 может быть выполнен в виде ключа, на выходе которого установлен сглаживающий фильтр (входы и выход ключа образуют соответствующие входы и выход детектора 20), при этом элемент 21 может быть включен до ключа, после фильтра и между ключом и фильтром. Разумеется, на управляющем входе ключа может быть установлен фазовращатель.

Элемент 21 может иметь характеристику U(a) или f(a) показанную на фиг. 4, где U напряжение, f частота и "a" угол. Второй отличительной особенностью элемента 21 является то, что он осуществляет, в случае когда это необходимо, преобразование постоянного напряжения, присутствующего на выходе детектора 20, в переменное напряжение, воспринимаемое сигнализатором 22. При этом полезная информация может содержаться как в амплитуде, так и в частоте этого напряжения, что и отражено на фиг. 4.

Реализовать элемент 21 можно в виде двухуровневого компаратора с выходной логикой (см. ниже) или в виде усилителя-ограничителя с большим коэффициентом преобразования для малых положительных и отрицательных напряжений и "насыщением" в области больших напряжений. При этом, разумеется, следует учитывать, что блоки 20 22 согласуются по уровню и полярности сигнала. В частности, детектор 20 может формировать однополярное напряжение, т.е. быть нечувствительным к знаку фазового сдвига, при этом элемент 21 можно выполнить просто в виде усилителя-ограничителя или последовательно соединенных усилителя-ограничителя и управляемого напряжением генератора. При определенном повороте лимба 9 относительно "нулевого" положения или при задании определенного смещения характеристики детектора 20, участок L (фиг. 4, 5) может располагаться в области положительных выходных напряжений детектора 20. При этом удобнее воспользоваться элементом 21, показанным на фиг. 6.

Из изложенного ясно, что существо предложения заключается в формировании, теми или иными средствами, существенно нелинейной зависимости аудиосигнала от угла наклона ампулы 5, при этом вид сигнала при малых и больших углах наклона должен быть различен.

Элемент 21, показанный на фиг. 6, состоит из генератора 23, управляемого напряжением, детектора 24 нуля (и знака) генератора 25 прерываний и модулятора 26.

Фиг. 7 иллюстрирует выполнение детектора 24 и модулятора 26. Детектор 24 образован делителем напряжения на резисторах 27 29, двумя компараторами на операционных усилителях 30, 31 с резисторами 32, 33 обратной связи и элементом 34 И.

В состав модулятора 26 входят элементы 35 И-НЕ и 36 И.

Элемент 21 может быть также образован генераторами 37 39, элементами 40 42 И, элементом 43 ИЛИ (фиг. 8).

В случае использования тороидальной ампулы 5 с двумя электродами 18 (фиг. 9), подключение электродов к генератору 19 и детектору 20 производится через коммутатор 46, позволяющий менять электроды 17 и 18 местами с тем, чтобы не вращая держатель 4 относительно корпуса 1 совершать переход от измерения угла отклонения от вертикали к измерению угла отклонения от горизонтали и наоборот.

Уровень используют следующим образом. Корпус 1 опорной поверхностью 2 устанавливают на контролируемую поверхность или закрепляют на ней (например, это может быть полка, которую оператор в данный момент вешает на дрель, с помощью которой он сверлит отверстие в стене. Включают тумблер 15, при этом питание подается на схему уровня, размещенную в отсеке 10. При повороте рукоятки 8 ампула 5 поворачивается относительно корпуса 1, а пузырек или капля жидкости 7 перемещается относительно электродов 17, 18. Тот же эффект имеет место при повороте корпуса 1 вместе с ампулой 5 (уровень может использоваться как для измерения угла отклонения от горизонтали или вертикали, так и для установки предмета в заданной плоскости).

В процессе такого смещения неоднородности 7 происходит изменение распределения потенциала, созданного электродами 17 в полости ампулы 5 и воспринимаемого электродом 18, в результате чего изменяется амплитуда, а при прохождении центра электрода 18 и знак фазы входного сигнала детектора 20 относительно опорного напряжения, поступающего на управляющий вход детектора.

Изменение выходного напряжения детектора 20 вблизи нуля, благодаря наличию элемента 21, четко фиксируется оператором, например, если отрицательным углам соответствует низкая частота (фиг. 4), а положительным - высокая, то вблизи нуля происходит резкое изменение частоты звука. Диапазон такого изменения регулируется регулятором 16 (движок переменного резистора 29 или резистора, задающего коэффициент передачи усилителя в цепи детектора 20). В результате оператор получает возможность на слух четко зафиксировать как зону вблизи нуля, так и само горизонтальное положение опорной поверхности 2, как середину зоны резкого изменения амплитуды или частоты аудиосигнала.

Это чрезвычайно важно для большинства применений, поскольку освобождает оператора от необходимости наблюдать за положением пузырька 7 в ампуле 5 или производить визуальный отсчет. В то же время, достигнутое положение корпуса 1 или ампулы 5 в пространстве может быть уточнено или просто подтверждено показаниями индикаторов 12 14 или просто отсчетом по делениям 6. Индикаторы 12 14 или любой известный блок регистрации могут быть подключены непосредственно к выходу детектора 20 или элемента 21.

В простейшем случае элемент 21 формирует из выходного сигнала детектора 20 "Л" или "Y" образную характеристику. При этом оператор не различает на слух отрицательных и положительных отклонений, а реагирует только на попадание в зону L.

Такая характеристика может быть получена и при использовании параболической ампулы 5, кривизна которой в нулевой зоне минимальна, а вне этой зоны значительна, так что небольшие смещения пузырька 7 вызывают резкие изменения выходного сигнала именно в зоне L. При этом в использовании элемента 21 нет необходимости.

Выше уже отмечалось, что аудиосигнал может дать оператору и информацию о знаке отклонения.

Еще легче различить на слух появление модуляции сигнала (фиг. 5, 6). Момент попадания в зону L фиксирует детектор 24, по сигналу которого модулятор 26 начинает процесс модуляции выходного сигнала генератора 23.

Делитель на резисторах 27 29 задает пороги срабатывания компараторов на усилителях 30, 31, а элемент 34 фиксирует зону L. Когда на выходе элемента 34 появляется логическая единица, выходной сигнал генератора 25 через элемент 35 прерывает прохождение частоты с генератора 23 на выход элемента 36, модулируя звуковой сигнал (фиг. 7).

Области справа и слева от нулевой зоны могут характеризоваться и различными постоянными частотами аудиосигнала или каждой из трех упомянутых зон может соответствовать своя мелодия (частота), формируемая одним из генераторов 37 39 (фиг. 8). При этом, так же как и в вышеописанном случае, детектор 24 коммутирует выходы генераторов 37 39 на сигнализатор 22, а элементы 40 44 образуют мультиплексор.

И, наконец, в случае использования тороидальной ампулы, изображенной на фиг. 9, переключение коммутатора 46 (соответствующий тумблер может быть выведен на панель корпуса 1) позволяет не меняя положения корпуса 1 перейти от контроля в горизонтальной к контролю в вертикальной плоскости за счет соответствующего изменения положения питающих и измерительных электродов 17 и 18.

Предлагаемый уровень весьма прост, надежен и недорог. В то же время, резкое изменение аудиосигнала вблизи нуля позволяет сочетать преимущества звуковой сигнализации (положение оператора относительно уровня может быть любым в пределах слышимости) с точностью визуального отсчета. Более того, "растягивание" диапазона вблизи нуля способствует повышению чувствительности прибора, а регулировка нулевой зоны расширяет функциональные возможности уровня, который может быть использован и как нуль-индикатор и как прецизионный измеритель.

Использование: в строительстве, плотницком деле и в быту, например, для определения горизонтальности полки или вертикальности высверливаемого отверстия. Сущность изобретения: уровень содержит корпус c, по меньшей мере, одной опорной плоскостью, в котором установлен с возможностью фиксированного поворота чувствительный элемент и размещен электронный блок с выходным звуковым сигнализатором. Чувствительный элемент выполнен в виде ампулы с питающими и измерительными электродами, погруженными в проводящую жидкость с неоднородностью по плотности и электропроводности. Электронный блок выполнен в виде генератора, выходы которого подключены к питающим электродам ампулы, и нелинейного фазочувствительного детектора, вход которого соединен с измерительным электродом ампулы. Вход звукового сигнализатора соединен с выходом нелинейного фазочувствительного детектора, управляющий вход которого соединен с выходом сигнализации генератора. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Аудиоэлектронный уровень, содержащий корпус с по меньшей мере одной опорной плоскостью, в котором установлен с возможностью фиксированного поворота чувствительный элемент и размещен электронный блок с выходным звуковым сигнализатором, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде ампулы с питающими и измерительным электродами, погруженными в проводящую жидкость с неоднородностью по плотности и электропроводности, а электронный блок выполнен в виде генератора, выходы которого подключены к питающим электродам ампулы, и нелинейного фазочувствительного детектора, вход которого соединен с измерительным электродом ампулы, при этом вход звукового сигнализатора соединен с выходом нелинейного фазочувствительного детектора, управляющий вход которого соединен с выходом синхронизации генератора. 2. Уровень по п. 1, отличающийся тем, что нелинейный фазочувствительный детектор выполнен в виде последовательно соединенных фазового детектора и нелинейного элемента. 3. Уровень по п. 2, отличающийся тем, что нелинейный элемент выполнен в виде управляемого генератора, детектора нуля, модулятора и генератора прерываний, при этом входом нелинейного элемента является объединенные входы детектора нуля и управляемого генератора, выход которого соединен с первым входом модулятора, второй вход которого подключен к выходу генератора прерываний, а выход детектора нуля соединен с управляющим входом модулятора, выход которого образует выход нелинейного элемента. 4. Уровень по п. 2, отличающийся тем, что нелинейный элемент выполнен в виде детектора нуля, трех генераторов, элемента ИЛИ и трех элементов И, при этом выходы генераторов соединены с первыми входами элементов И, вторые входы которых подключены к выходам детектора нуля, а выходы элементов И подключены к входу элемента ИЛИ, выход которого образует выход нелинейного элемента, вход которого соединен с входом детектора нуля. 5. Уровень по пп. 3 и 4, отличающийся тем, что детектор нуля выполнен в виде двух компараторов с гистерезисом, делителя напряжения и элемента И, при этом выходы делителя напряжения подключены к инвертирующему и неинвертирующему входам компараторов, неинвертирующий и инвертирующий входы которых соединены с входом детектора нуля, выход которого образован выходом элемента И, входы которого соединены с выходами компараторов. 6. Аудиоэлектронный уровень, содержащий корпус с по меньшей мере одной опорной плоскостью, в котором установлен с возможностью фиксированного поворота чувствительный элемент и размещен электронный блок с выходным звуковым сигнализатором, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде ампулы с питающими и измерительным электродами, погруженными в проводящую жидкость с неоднородностью по плотности и электропроводности, а электронный блок выполнен в виде генератора, выходы которого подключены к питающим электродам ампулы и фазочувствительного детектора, вход которого соединен с измерительным электродом ампулы, при этом управляющий вход и выход фазочувствительного детектора соединены с выходом синхронизации генератора и входом звукового сигнализатора, а ампула в месте расположения измерительного электрода выполнена с сужением или минимальной кривизной.