УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОРИЕНТИРОВАНИЯ Российский патент 2004 года по МПК G01C17/18 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для навигационных измерений.

Известно устройство для ориентирования (патент РФ №2183820, МПК 7 G 01 C 17/00, 17/18, опубл. 20.06.02, БИ и ПМ №17 (II ч.), 2002 г.), выбранное в качестве прототипа, содержащее симметричное твердое тело без точки подвеса, помещенное в замкнутый сосуд с жидкостью, над поверхностью которой находится полость с воздухом, выполненное с внутренней полостью, заполненной воздухом, и имеющее возможность совершать возвратно-поступательные перемещения вдоль вертикали места за счет управляемого переменного давления в воздушной полости над жидкостью и возможность совершать качания в плоскости, проходящей через вертикаль места, совпадающие с направлением Восток - Запад.

Недостатками данного устройства являются:

1) Наличие большой погрешности определения направления Восток - Запад из-за наличия опрокидывающего момента, приводящего к постоянному крену симметричного твердого тела и совершению им возвратно-поступательных перемещений не строго вдоль вертикали места. Поскольку из-за сопоставимости сечений столба жидкости, перемещающегося внутри симметричного твердого тела, и самого тела практически невозможно удержать на одной линии, совпадающей с вертикалью места, центр масс и центр величины симметричного твердого тела, причем, чем быстрее столб жидкости перемещается внутри тела, тем больше как вероятность возникновения опрокидывающего момента, так и его величина.

2) Нестабильность определения направления Восток - Запад по причине сложности удержания симметричного твердого тела в центре сосуда (вдоль его осевой линии). Поскольку под действием гидродинамических сил, возникающих при возвратно-поступательных перемещениях вдоль вертикали места, оно начинает случайным образом свободно дрейфовать, касается стенки сосуда и удерживается вблизи нее, после чего выявить направление Восток - Запад не удается.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности выявления и отождествления направления Восток - Запад, а также повышение стабильности (повторяемости) определения направления Восток - Запад.

Указанные задачи достигаются тем, что в устройстве для ориентирования, также как в прототипе, содержится симметричное твердое тело без точки подвеса с внутренней воздушной полостью, помещенное в замкнутый сосуд с жидкостью, над поверхностью которой находится полость с воздухом, и имеющее возможность совершать возвратно-поступательные перемещения вдоль вертикали места за счет управляемого переменного давления в воздушной полости в замкнутом сосуде и возможностью совершать качания в плоскости, проходящей через вертикаль места, совпадающие с направлением Восток - Запад.

В отличие от прототипа:

1) Внутренняя воздушная полость симметричного твердого тела соприкасается с жидкостью не непосредственно напрямую, а через полую трубку малого по отношению к телу сечения. Трубка вставлена внутрь и жестко закреплена в нижней части симметричного твердого тела. Жидкость имеет возможность перемещаться по трубке, не поступая непосредственно в симметричное твердое тело.

2) Введено кольцо из несмачиваемого материала, расположенное вокруг симметричного твердого тела с зазором и жестко закрепленное на внутренней стенке сосуда. Само симметричное твердое тело также выполнено из несмачиваемого материала.

Предложенное устройство позволяет:

1) Обеспечить возвратно-поступательные перемещения строго вдоль вертикали места за счет резкого снижения величины опрокидывающего момента, поскольку объем жидкости, перемещающейся по трубке, много меньше, чем объем симметричного твердого тела, а сама жидкость, имея возможность перемещаться по трубке с большой скоростью, хотя и сообщает симметричному твердому телу достаточный (за счет скорости) для значительного отклонения в направлении Восток - Запад импульс, не приводит к возникновению постоянного крена, поскольку не поступает непосредственно внутрь симметричного твердого тела.

2) Автоматически удержать симметричное твердое тело в центре сосуда вдоль его осевой линии за счет сил поверхностного натяжения жидкости, возникающих в кольцевом зазоре между подвижным симметричным твердым телом и неподвижным кольцом, которое также, как и тело, выполнено из несмачиваемого материала и жестко закреплено на стенке сосуда.

Предложенные решения позволяют повысить как точность, так и стабильность выявления и отождествления направления Восток - Запад.

На чертеже изображено устройство для ориентирования. Условно показана только одна пара датчиков углового положения 8.

Устройство для ориентирования содержит симметричное твердое тело 1 с полостью А, заполненное воздухом, полую трубку 2 малого по отношению к симметричному твердому телу сечения, вставленную внутрь симметричного твердого тела 1 и жестко закрепленную в его нижней части, замкнутый сосуд 3, в который помещена вся система: симметричное твердое тело 1 - полая трубка 2, взвешенная в жидкости 4, над поверхностью которой находится полость с воздухом Б. Кольцо 5 из несмачиваемого материала расположено на границе сред воздух - жидкость, жестко закреплено на стенке замкнутого сосуда 3 и охватывает с зазором симметричное твердое тело 1.

Система возбуждения колебаний симметричного твердого тела 1 с полой трубкой 2 вдоль вертикали места (изменения давления над телом в полости Б) состоит из упругого элемента 6 и электромагнита 7, закрепленных внутри замкнутого сосуда 3, четыре индуктивных датчика углового положения 8 симметричного твердого тела 1 в жидкости 4, блока управления 9, с которым электрически связаны датчики углового положения 8 и электромагнит 7.

Симметричное твердое тело 1 выполнено из несмачиваемого материала с положительной плавучестью, например, из полиэтилена низкого давления марки 210 85 рецептуры (плотность 0,949 г/ см³), а вставленная внутрь симметричного твердого тела 1 и жестко закрепленная в его нижней части полая трубка 2 может быть выполнена из латуни марки Л63 или из магнитной коррозийно-стойкой стали марки 36 НХТЮ. Замкнутый сосуд 3 может быть изготовлен из немагнитного материала или из оптически прозрачного пластифицированного оргстекла. В качестве жидкости 4 может использоваться водно-глицериновая (80% на 20%) смесь. В качестве материала кольца 5 может быть использован, например, полиэтилен низкого давления марки 210 85 рецептуры или фторопласт. Система возбуждения колебаний симметричного твердого тела 1 с вставленной внутрь и жестко закрепленной в его нижней части полой трубки 2 вдоль вертикали места (изменения давления над телом в полости Б) может иметь различные принципы построения, например, электромагнитная с упругим элементом 6, в качестве которого может быть выбран сильфон 42×10×0,1 из сплава 36 НХТЮ по ГОСТ 21482 или бериллиевая бронза БрБ-2. В качестве датчиков углового положения 8 симметричного твердого тела 1 в жидкости 4 могут быть использованы индуктивные бесконтактные выключатели с аналоговым выходом BБ2.18M.95.7.9.1.Z, обеспечивающие точность определения положения ±30 мкм на удалении до 10 мм, выпускаемые НПФ "МЕГА-К" г.Калуга, или оптическая система контроля углового положения симметричного твердого тела 1 в жидкости 4. В качестве блока управления 9 может быть выбран контроллер "КрВ-1.22" на основе микропроцессора "Atmega 161" фирмы "ATMEL", выпускаемый ООО "Эрмис" г.Томск по ДКШС.467444.022ТУ.

Устройство работает следующим образом. Под действием силы тяжести mg и выталкивающей Архимедовой силы F центр масс симметричного твердого тела 1 со вставленной внутрь и жестко закрепленной в его нижней части полой трубкой 2 и центр величины этой системы О, к которому прикладывается выталкивающая сила F, располагается на отвесной линии в данной точке Земли. Поскольку давление воздуха в полостях А и Б не меняется, случайные колебания симметричного твердого тела 1 со вставленной внутрь и жестко закрепленной в его нижней части полой трубкой 2 исчезают и оно, совместно с полой трубкой 2, устанавливается на отвесной линии. Подача управляющего электрического сигнала от блока управления 9 на катушку электромагнита 7 вызывает притягивание упругого элемента 6 к магнитной цепи электромагнита 7, тем самым повышается давление в полости Б (за счет сжатия упругого элемента 6). Оно через жидкость 4 передается воздуху в полости А, уменьшая объем воздуха в ней, что приводит к подъему жидкости по полой трубке 5, вставленной внутрь и жестко закрепленной в нижней части симметричного твердого тела 1 с уровня I до уровня II. Несмотря на то, что на движущуюся вверх по полой трубке 2 жидкость 4 действует Кариолисова сила F_k, смещение симметричного твердого тела 1 со вставленной внутрь и жестко закрепленной в его нижней части полой трубкой 2 в западном направлении не происходит, так как само тело в это время из-за большой инерционности (его масса специально подобрана намного больше массы перемещающейся по полой трубке 2 жидкости 4) находится в состоянии покоя, но при этом получает довольно значительный импульс за счет двигающейся с большой скоростью по полой трубке 2 жидкости 4. Затем, когда силы давления в полостях А и Б превышают инерцию массы симметричного твердого тела 1 со вставленной внутрь и жестко закрепленной в его нижней части полой трубкой 2, оно начинает опускаться вниз вдоль вертикали места, однако на незначительную величину, так как сила поверхностного натяжения и сжимаемость жидкости 4 в кольцевом зазоре между кольцом из несмачиваемого материала 5 и симметричным твердым телом 1, также выполненным из несмачиваемого материала, препятствует перемещению (ограничивает) как вдоль, так и поперек вертикали места, при этом за счет действия указанных сил само симметричное твердое тело 1 удерживается примерно в центре замкнутого сосуда 3 (вдоль его осевой линии), а нижний конец жестко связанной с ним полой трубки 2 будет быстро смещаться в западном направлении на значительную величину - произойдет его баллистический "заброс" за счет накопленной ранее энергии в направлении действовавшей на двигавшуюся вверх по полой трубке 2 жидкости 4 Кариолисовой силы.

Датчики углового положения 8 симметричного твердого тела 1 в жидкости 4 фиксируют величину смещения нижнего конца полой трубки 2, которая в виде электрического сигнала передается в блок управления 9, где определяется направление наибольшего смещения, то есть за одно перемещение жидкости 4 в полой трубке 2 возможно определить направление на Запад, что позволяет исключить помехи от гидродинамических возмущений жидкости 4, отраженных от стенок замкнутого сосуда 3, действующих на симметричное твердое тело 1 и вставленную внутрь и жестко закрепленную в его нижней части полую трубку 2, вызванных его незначительным перемещением вдоль и таким же малым перемещением поперек вертикали места, а также резким забросом в западном направлении нижнего конца полой трубки 2.

Опрокидывающего симметричное твердое тело 1 с вставленной внутрь и жестко закрепленной в его нижней части полой трубкой 2 момента не возникает, так как жидкость 4 перемещается только по полой трубке 2 с уровня I до уровня II, не поступая непосредственно внутрь симметричного твердого тела 1, то есть его метацентр всегда будет находиться значительно выше центра тяжести симметричного твердого тела 1 со вставленной внутрь и жестко закрепленной в его нижней части полой трубкой 2 (уровню жидкости I соответствует центр тяжести I (ЦТ I), уровню жидкости II - центр тяжести II (ЦТ II)), а значит, если не изменять давление в полостях А и Б (оставить упругий элемент 6 в сжатом состоянии), возникает восстанавливающий момент и симметричное твердое тело 1 со вставленной внутрь и жестко закрепленной в его нижней части полой трубкой 2 вновь установятся вдоль вертикали места.

При отключении блоком управления 9 питающего напряжения от катушки электромагнита 7 упругий элемент 6 под действием внутренних сил упругости вернется в первоначальное положение. При этом давление в полости Б будет снижаться, что вызовет снижение давления в полости А симметричного твердого тела 1 и его незначительное перемещение вверх вдоль вертикали места, а также быстрое опускание жидкости 4 с уровня II до уровня I. Процесс повторится с одним лишь отличием - баллистический "заброс" нижнего конца полой трубки 2 будет происходить в восточном направлении. Он будет зафиксирован датчиками 8, а само направление определено блоком управления 9. Отождествление направления Восток - Запад может производиться с большей точностью, так как имеем двойную амплитуду смещения (в западном направлении получаемую при перемещении столба жидкости по полой трубке 2 вверх вдоль вертикали места и в восточном направлении при перемещении вниз), измеряемую до возникновения гидродинамических помех в жидкости 4.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для навигационных измерений. Технический результат: повышение точности и стабильности выявления и отождествления направления Восток - Запад. Сущность: устройство содержит симметричное твердое тело с воздушной полостью и вставленной внутрь и жестко закрепленный в его нижней части полой трубкой малого сечения. Твердое тело взвешено в жидкости, находящейся в замкнутом сосуде с воздушной полостью над поверхностью жидкости. Симметричное твердое тело охвачено с зазором кольцом, закрепленным на границе сред воздух - жидкость. Кольцо и тело выполнены из несмачиваемого материала. За счет управляемого переменного давления в воздушной полости замкнутого сосуда жидкость имеет возможность перемещаться по трубке, не поступая внутрь симметричного твердого тела. Твердое тело имеет возможность совершать качания в плоскости, проходящей через вертикаль места и совпадающей с направлением Восток - Запад. 1 ил.

Устройство для ориентирования, содержащее симметричное твердое тело без точки подвеса, помещенное в замкнутый сосуд с жидкостью, над поверхностью которой находится полость с воздухом, выполненное с внутренней полостью, заполненной воздухом с возможностью совершать возвратно-поступательные перемещения вдоль вертикали места за счет управляемого переменного давления в воздушной полости в замкнутом сосуде и возможностью совершать качания в плоскости, проходящей через вертикаль места, совпадающие с направлением Восток-Запад, отличающееся тем, что симметричное твердое тело выполнено из несмачиваемого материала со вставленной внутрь и жестко закрепленной в его нижней части полой трубкой, малого по отношению к симметричному твердому телу сечения, с возможностью перемещения жидкости по трубке, исключая ее попадание внутрь самого симметричного твердого тела, при этом на границе сред воздух-жидкость замкнутого сосуда расположено кольцо из несмачиваемого материала, жестко закрепленное на стенке сосуда и охватывающее с зазором симметричное жесткое тело.