ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ УКЛОНОВ Российский патент 2001 года по МПК G01C9/00 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для определения углов наклона объектов и оборудования на производстве и в быту, преимущественно, наклона их плоскостей относительно горизонта.

Известно устройство для определения углов наклона объектов, содержащее панель с подвешенным на ней маятником и шкалу, закрепленную на панели, при этом панель, плата, шкала и другие элементы конструкции выполнены с возможностью их взаимного перемещения и закрепления (см. патент РФ N 2142613, МКИ G 01 С 9/00, 1998).

Недостатком конструкции является сложность установки прибора на объект, необходимость дополнительных монтажных операций и постоянной настройки прибора перед каждым измерением.

Известно устройство для измерения угла наклона, содержащее инерционную массу в виде стального шара, находящегося на гладком основании и фиксированного с боков почти вертикальными предварительно напряженными балочками, на которые наклеены тензодатчики сопротивления (см. авторское свидетельство СССР N 187324, МКИ G 01 С 9/16, 1966).

Недостатком данного устройства является низкая разрешающая способность, точность, ограничиваемая чувствительностью тензодатчиков, неидеальностью полировки основания, отклонениями: формы инерционной массы от сферической, загрязнениями в месте контакта инерционной массы с основанием.

2 Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является устройство для контроля уклонов автомобильных дорог, содержащее плоскую измерительную поверхность, на которой расположен чувствительный к ее ориентации элемент в виде датчика линейных ускорений, электронную схему преобразования сигнала и средства индикации на жидком кристалле (см. свидетельство РФ на полезную модель N 12607, МКИ G 01 С 9/06, 20.01.2000).

Недостатком указанного измерительного устройства является невысокая надежность и оперативность измерения в связи с невозможностью за одну установку определить величину и направление максимального угла наклона исследуемого объекта. Для этого оператору необходимо совершать дополнительные манипуляции с устройством сначала для определения направления, в котором происходит увеличение сигнала от наклона объекта, а затем манипуляции для определения такого положения рабочей поверхности устройства на исследуемом объекте, при изменении которого в любом направлении происходит уменьшение сигнала от наклона объекта. Такая задача возникает в тех случаях, когда необходимо знать направление движения воды или сыпучего материала по поверхности исследуемого объекта под действием силы тяжести, например, при строительстве зданий или путепроводов.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы, оперативности измерений и расширение функциональных возможностей измерителя за счет представления оперативной информации о положении поверхности исследуемого объекта и обеспечения возможности надежного определения величины и направления максимального значения уклона объекта (направления скольжения или ската материала по поверхности объекта).

Указанный технический результат достигается тем, что в измеритель уклонов, содержащий корпус с рабочей поверхностью, жидкокристаллический индикатор, а также установленный внутри корпуса на его рабочей поверхности преобразователь линейных ускорений в электрический сигнал, и электронную схему преобразования сигнала, для достижения этого результата в него введен установленный снаружи на корпусе переключатель координат измерения, выполненный с возможностью механического переключения режимов измерения, при этом преобразователь ускорений в электрический сигнал выполнен в виде двухкоординатного измерителя ускорения силы тяжести, а жидкокристаллический индикатор - с возможностью одновременной индикации направления и величины уклона по любой из двух геометрических осей симметрии корпуса в плоскости его рабочей поверхности, причем переключатель координат измерения, жидкокристаллический индикатор и двухкоординатный измеритель ускорения силы тяжести подключены к электронной схеме преобразования сигнала.

Кроме того, электронная схема преобразования сигнала может быть выполнена в виде включенных последовательно операционного усилителя и аналого-цифрового преобразователя, а также блока индикации режимов измерения и стабилизированного источника питания, подключенного через выключатель питания и аналого-цифровой преобразователь к двухкоординатному измерителю ускорения силы тяжести и операционному усилителю, вход которого подключен к выходу переключателя координат измерения, причем один вход жидкокристаллического индикатора подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя непосредственно, а второй - через блок индикации режимов измерения, вход которого связан с выходом переключателя координат измерения, подключенного к обоим выходам двухкоординатного измерителя ускорения силы тяжести.

Кроме того, обратная сторона рабочей поверхности корпуса может быть выполнена в виде подложки из текстолита, на которой размещены двухкоординатный измеритель ускорения силы тяжести, операционный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, блок индикации режимов измерения, выполненные бескорпусными по тонкопленочной технологии.

На фиг. 1 представлен общий вид цифрового измерителя уклонов;
на фиг. 2 показана электронная схема преобразования сигнала.

Устройство содержит выполненный из сплава алюминия корпус 1 с рабочей поверхностью 3, на лицевой поверхности 2 которого установлены жидкокристаллический индикатор 4 для индикации измеряемых углов наклона, переключатель координат измерения 5 и выключатель питания 6. Внутри корпуса размещены двухкоординатный измеритель ускорения силы тяжести 7, операционный усилитель 8, аналого-цифровой преобразователь 9, источник постоянного напряжения 10 и блок индикации режимов измерения 11.

Обратная сторона рабочей поверхности 3 выполнена в виде текстолитовой подложки, на которой установлены выполненные бескорпусными двухкоординатный измеритель ускорения силы тяжести, например, на основе микромеханических вибрационных гироскопов-акселерометров, операционный усилитель, аналого-цифровой преобразователь и блок индикации режимов измерения, реализованные, например, на основе операционных усилителей AD-853 2 AR и интегральных микросхем серий 140, 590 и 555.

Устройство работает следующим образом.

Двухкоординатный измеритель ускорения силы тяжести 7 выдает напряжение, пропорциональное действующей величине проекции ускорения g_x. Величина этой проекции зависит от положения корпуса измерителя и определяется углом наклона Φ к горизонту из соотношения
g_x = g•sinΦ,
где g - ускорение силы тяжести.

Таким образом, выходное напряжение с измерителя определяется величиной измеряемого угла наклона Φ.
При использовании двухкоординатного измерителя прибор имеет два выхода, напряжения на которых изменяются независимо друг от друга в зависимости от наклона измерителя относительно одной или другой оси или одновременно относительно обоих.

При изготовлении цифровой измеритель уклонов настроен таким образом, что при установке корпуса рабочей поверхностью 3 на эталонную, горизонтальную относительно двух осей плоскость на жидкокристаллическом индикаторе 4 индицируются нули при двух положениях переключателя 5.

Положение (1) переключателя 5 соответствует измерению углов наклона относительно оси, расположенной вдоль длинной стороны корпуса 1 прибора. При этом на индикаторе с левой стороны индицируется горизонтальная черта.

При переводе переключателя 5 в положение (2) измеритель определяет угол наклона относительно оси, параллельной короткой стороне (перпендикулярно первому положению). При этом на индикаторе с левой стороны индицируется вертикальная черта.

В устройстве предусмотрена дополнительная индикация о разрядке источника питания 10 ниже допустимого уровня (индикация "LO BAT").

Работа измерителя одинакова при измерении углов относительно той или другой оси.

Напряжение U_вых через переключатель 5 поступает на вход операционного усилителя 8, коэффициент усиления которого выбран из условия обеспечения необходимого диапазона измерения углов наклона, а в самом усилителе осуществляется частотная коррекция, препятствующая проникновению на выход усилителя высокочастотных составляющих, присутствующих в сигнале UBX.

На выходе усилителя 8 установлен делитель напряжения (не показан), согласующий диапазон изменения U_вых с диапазоном напряжений в аналого-цифровом преобразователе 9.

Измеритель ускорения силы тяжести 7 и операционный усилитель 8 питаются от стабилизированного источника U_п1, присутствующего в подключенном к источнику постоянного напряжения 10 (U_п) через выключатель питания 6 аналого-цифровом преобразователе 9, который преобразует аналоговый сигнал U_вых в цифровой код, который поступает на жидкокристаллический индикатор 4. Схема включения жидкокристаллического индикатора 4 выбрана таким образом, чтобы на индикаторе индицировались три разряда.

Режим работы аналого-цифрового преобразователя 9 выбран таким образом, чтобы цифровой код на выходе преобразователя соответствовал наклону измерителя в угловых градусах.

В случае поворота корпуса 1 в плоскости рабочей поверхности 3, установленной на объекте измерения, при включенном любом режиме измерения, оператор может добиться индикации нулевого значения величины уклона в направлении, соответствующем этому режиму, и затем, включив второй режим измерения переключателем 5, определить величину максимального уклона поверхности объекта и его направление по положению оси корпуса 1 для второго режима измерения. Дополнительно обеспечивается возможность оперативного и надежного определения величины и направления максимального значения уклона объекта (направления скольжения или ската материала по поверхности объекта).

Точность измерения углов с использованием данного цифрового измерителя определяется точностью датчика ускорения силы тяжести (≅ 0,1% от измеряемого угла в диапазоне до 30^o) и аналого-цифрового преобразователя (цена младшего разряда - ≅ 0,1^o).

Таким образом, в предложенной конструкции достигнут технический результат изобретения, заключающийся в повышении надежности работы и расширении функциональных возможностей за счет представления оперативной информации о положении поверхности исследуемого объекта и обеспечения возможности корректировки условий измерения оператором, например, поворотом измерителя уклонов в плоскости установочной поверхности до нулевого значения сигнала по одной из осей корпуса измерителя.

Измеритель предназначен для определения углов наклона объектов и оборудования на производстве и в быту, преимущественно наклона их плоскостей относительно горизонта. Измеритель содержит корпус с рабочей поверхностью, размещенные внутри корпуса преобразователь силы в электрический сигнал и электронную схему преобразования сигнала. Снаружи на корпусе установлены переключатель координат измерения, выполненный с возможностью механического переключения режимов измерения, и жидкокристаллический индикатор, выполненный с возможностью одновременной индикации направления и величины уклона по любой из двух геометрических осей симметрии корпуса в плоскости его рабочей поверхности. Преобразователь силы в электрический сигнал выполнен в виде двухкоординатного измерителя ускорения силы тяжести, закрепленного внутри корпуса с обратной стороны его рабочей поверхности. Переключатель координат измерения, жидкокристаллический индикатор и двухкоординатный измеритель ускорения силы тяжести подключены к электронной схеме преобразования сигнала. Предложенная конструкция позволяет повысить надежность работы и расширить функциональные возможности за счет предоставления оперативной информации о положении поверхности исследуемого объекта и обеспечения возможности корректировки условий измерения операторов. Дополнительно обеспечивается возможность оперативного и надежного определения величины и направления максимального значения уклона объекта (направления скольжения или ската материала по поверхности объекта). 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Цифровой измеритель уклонов, содержащий корпус с рабочей поверхностью, жидкокристаллический индикатор, а также установленный внутри корпуса на его рабочей поверхности преобразователь линейных ускорений в электрический сигнал и электронную схему преобразования сигнала, отличающийся тем, что в него введен установленный снаружи на корпусе переключатель координат измерения, выполненный с возможностью механического переключения режимов измерения, при этом преобразователь ускорений в электрический сигнал выполнен в виде двухкоординатного измерителя ускорения силы тяжести, а жидкокристаллический индикатор - с возможностью одновременной индикации направления и величины уклона по любой из двух геометрических осей симметрии корпуса в плоскости его рабочей поверхности, причем переключатель координат измерения, жидкокристаллический индикатор и двухкоординатный измеритель ускорения силы тяжести подключены к электронной схеме преобразования сигнала. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электронная схема преобразования сигнала выполнена в виде включенных последовательно операционного усилителя и аналого-цифрового преобразователя, а также блока индикации режимов измерения и стабилизированного источника питания, подключенного через выключатель питания и аналого-цифровой преобразователь к двухкоординатному измерителю ускорения силы тяжести и операционному усилителю, вход которого подключен к выходу переключателя координат измерения, причем один вход жидкокристаллического индикатора подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя непосредственно, а второй - через блок индикации режимов измерения, вход которого связан с выходом переключателя координат измерения, подключенного к обоим выходам двухкоординатного измерителя ускорения силы тяжести. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что обратная сторона рабочей поверхности корпуса выполнена в виде подложки из текстолита, на которой размещены двухкоординатный измеритель ускорения силы тяжести, операционный усилитель, аналого-цифровой преобразователь и блок индикации режимов измерения, выполненные бескорпусными по тонкопленочной технологии.