ГРАВИМЕТР Российский патент 2004 года по МПК G01V7/04 

Настоящее изобретение относится к области измерительной техники, а именно к прецизионным измерительным преобразователям для измерения ускорения свободного падения.

Известен гравиметр, содержащий корпус, маятниковый чувствительный элемент с направлением его измерительной оси по вектору ускорения свободного падения, датчик положения, магнитоэлектрический силовой преобразователь с постоянным магнитом на корпусе и компенсационной катушкой на чувствительном элементе, усилитель и устройство частичной компенсации силы тяжести [1].

Наиболее близким по технической сущности является гравиметр [2], содержащий корпус, чувствительный элемент с направлением его измерительной оси по вектору ускорения свободного падения, преобразователь положения, силовой преобразователь магнитоэлектрического типа с постоянным магнитом на корпусе и компенсационной катушкой на чувствительном элементе, усилитель, нагрузку с первым резистором, измерительную схему, устройство частичной компенсации силы тяжести с источником тока, причем к выходу усилителя подключены последовательно соединенные первый резистор и компенсационная катушка.

Недостатками такового гравиметра является несовместимость с устройствами с дискретным преобразованием, усложнение конструкции чувствительного элемента, ограничение вибрационных воздействий.

Техническими результатами изобретения являются обеспечение цифрового выхода сигнала гравиметра, упрощение конструкции чувствительного элемента, повышение устойчивости к вибрационным воздействиям, повышение точности измерения ускорения свободного падения.

Данные технические результаты достигаются в гравиметре, содержащем корпус, чувствительный элемент с направлением его измерительной оси по вектору ускорения свободного падения, преобразователь положения, силовой преобразователь с постоянным магнитом на корпусе и компенсационной катушкой на чувствительном элементе, усилитель, нагрузку с первым резистором, измерительную схему, устройство частичной компенсации силы тяжести с источником тока, причем к выходу усилителя подключены последовательно соединенные первый резистор и компенсационная катушка, тем, что в нагрузку введены соединенный последовательно с первым резистором второй резистор и подключенный параллельно ему конденсатор, в гравиметр введены первый, второй, третий и четвертый электронные ключи, микропроцессор, устройство управления, источник тока подключен параллельно к компенсационной катушке, измерительная схема имеет первый и второй каналы, каждый из которых содержит аналого-цифровой преобразователь, реверсивный счетчик, регистр, в каждом канале к выходам аналого-цифрового преобразователя подключены входы реверсивного счетчика, к выходу которого подключен вход данных регистра, выходы регистров обоих каналов соединены шиной с входом микропроцессора, выход нагрузки подключен к входам первого и второго электронных ключей, выход первого электронного ключа подключен к входу третьего электронного ключа и к входу аналого-цифрового преобразователя первого канала, выход второго электронного ключа подсоединен к входу четвертого электронного ключа и к входу аналого-цифрового преобразователя второго канала, выходы третьего и четвертого электронных ключей соединены с общей шиной гравиметра, устройство управления содержит первое, второе, третье, четвертое, пятое и шестое логические устройства И, генератор тактовых импульсов с выходом частотой f₀, делитель частоты с первым выходом частотой f₀/2, с вторым выходом частотой f₀/2², с третьим выходом с частотой f₀/2³, с четвертым выходом с частотой f₀/2^(3+k), с пятым выходом с частотой f₀/2^(4+k), с шестым выходом с частотой f₀/2^(4+k+n), первый, второй, третий и четвертый инверторы, выход генератора тактовых импульсов соединен с входом делителя частоты, с первыми входами первого, второго, третьего и четвертого логических устройств И, с тактовым входом микропроцессора, первый выход делителя частоты соединен с входом первого и второго инверторов, с вторыми входами третьего и четвертого логических устройств И, второй выход делителя частоты соединен с тактовым входом аналого-цифровых преобразователей обоих каналов и с первыми входами пятого и шестого логических устройств И, третий выход делителя частоты подключен к второму входу пятого логического устройства И и к входу третьего инвертора, четвертый выход делителя частоты соединен с третьим входом пятого логического устройства И и с вторым входом шестого логического устройства И, пятый выход делителя частоты подключен к четвертому входу пятого логического устройства И и к третьему входу шестого логического устройства И, шестой выход делителя частоты подключен к входу четвертого инвертора и к входам управления второго и третьего электронных ключей, выход первого инвертора соединен с вторым входом второго логического устройства И, к четвертому входу пятого логического устройства И подключен выход третьего инвертора, выход шестого логического устройства И соединен с третьими входами второго и четвертого логических устройств И, выход пятого логического устройства И подключен к третьему входу третьего логического устройства И и к второму входу первого логического устройства И, к третьему входу которого подключен выход второго инвертора, выход четвертого инвертора соединен с управляющим входом первого и четвертого электронных ключей, к четвертым входам второго и четвертого логических устройств И подключен выход считывания из микропроцессора, выход третьего логического устройства И соединен с входами разрешения записи в регистрах первого и второго каналов, выход первого логического устройства И подключен к входам обнуления реверсивных счетчиков первого и второго каналов, выход шестого логического устройства И подключен к входу запроса прерываний микропроцессора, выход четвертого логического устройства И соединен со входом счета регистра первого канала, выход второго логического устройства И подключен к входу счета регистра второго канала.

Подключением источника тока к компенсационной катушке, к которой подсоединен первый резистор, обеспечивается упрощение конструкции чувствительного элемента, так как преобразование сигналов гравиметра достигается с помощью одной компенсационной катушки, упрощается схема передачи сигналов на чувствительный элемент.

При включении в нагрузку второго резистора с подключенным параллельно ему конденсатором повышается точность измерения ускорения свободного падения вследствие повышения разрешающей способности гравиметра, обеспечиваемой увеличением падения напряжения на нагрузке. Одновременно с этим повышается устойчивость к вибрационным воздействиям, так как при повышенной амплитуде ускорения вибрации выходной сигнал усилителя остается в линейной зоне вследствие шунтирования конденсатором переменного сигнала, возникающего в нагрузке при вибрационных воздействиях.

Посредством выполнения измерительной схемы в составе первого и второго каналов, каждый из которых содержит аналого-цифровой преобразователь, реверсивный счетчик, регистр, введения в гравиметр первого, второго, третьего и четвертого электронных ключей, микропроцессора, устройства управления обеспечивается адаптация гравиметра к устройствам с дискретным преобразованием, так как выходным сигналом гравиметра является код. Одновременно при выполнении измерительной схемы в составе двух каналов повышается точность измерения ускорения свободного падения, так как устраняется погрешность преобразования аналогового сигнала в код.

На фиг.1 представлен общий вид гравиметра, на фиг.2 - чувствительный элемент, на фиг.3 - принципиальная электрическая схема гравиметра с измерительной схемой, на фиг.4 - принципиальная электрическая схема устройства управления, на фиг.5 - циклограммы сигналов гравиметра.

В гравиметре (фиг.1) в корпусе 1 со стойкой 2 установлены чувствительный элемент 3 в виде пластины с параллельными друг другу основными поверхностями 4, 5 и постоянный магнит 6 магнитоэлектрического силового преобразователя. На чувствительном элементе 3 на его основной поверхности 5 в рабочем зазоре магнитоэлектрического силового преобразователя установлена кольцевая компенсационная катушка 7, а на основной поверхности 4 - груз 8.

Магнитный поток постоянного магнита 6 замыкается через рабочий зазор с компенсационной катушкой 7 и корпус 1.

На стойке 2 также закреплена плата 9 с неподвижными электродами 10, 11 преобразователя положения емкостного типа. Гравиметр закрыт крышкой 12.

Ось 13-13 является измерительной осью гравиметра, и она перпендикулярна основным поверхностям 4, 5 чувствительного элемента 3.

В чувствительном элементе 3 (фиг.2) выполнены подвижная рамка 14 и неподвижная рамка 15 с окном 16. Подвижная рамка 14 и неподвижная рамка 15 соединены между собой посредством упругих перемычек 17’, 17’’. Ось изгиба 18-18 упругой перемычки 17’ и ось изгиба 19-19 упругой перемычки 17’’ образуют ось подвеса 20-20 подвижной рамки 14.

В гравиметре преобразователь положения (фиг.3) по мостовой схеме образован конденсаторами C1, C2 и элементами моста Z1, Z2 и запитывается напряжением U_n переменного тока. Конденсатор C1 образован неподвижным электродом 10 на плате 9 и электропроводной основной поверхностью 4 на чувствительном элементе 3. Конденсатор C2 образован неподвижным электродом 11 и электропроводной основной поверхностью 4. Электропроводная основная поверхность 4 получается при изготовлении чувствительного элемента 3 из электропроводного материала. При изготовлении чувствительного элемента 3 из монокристаллического кремния электропроводность основной поверхности 4 достигается путем легирования кремния бором.

Выход преобразователя положения подключен к входу усилителя 21, к выходу которого последовательно подключены компенсационная катушка 7 и нагрузка, содержащая первый резистор R1, второй резистор R2, параллельно которому подключен конденсатор С. Параллельно к компенсационной катушке 7 подключен источник тока 22.

Выход нагрузки от точки соединения компенсационной катушки 7 с первым резистором R1 подключен к входам первого 23’ и второго 23’’ электронных ключей.

Первый канал измерительной схемы содержит аналого-цифровой преобразователь 24’, реверсивный счетчик 25’, регистр 26’. К выходу первого электронного ключа 23’ подключены вход третьего электронного ключа 23’’’ и вход аналого-цифрового преобразователя 24’, к выходам которого подсоединены входы реверсивного счетчика 25’. Выход реверсивного счетчика 25’ соединен с входом регистра 26’ шиной.

Второй канал измерительной схемы содержит аналого-цифровой преобразователь 24’’, реверсивный счетчик 25’’, регистр 26’’. Выход второго электронного ключа 23’’ соединен с входом четвертого электронного ключа 28^IV и с входом аналого-цифрового преобразователя 24’’. Выходы аналого-цифрового преобразователя 24’’ соединены с входами реверсивного счетчика 25’’, выход которого соединен шиной с входом регистра 26’’. Выходы третьего 23’’’ и четвертого 23^IV электронных ключей соединены с общей шиной гравиметра.

Выходы регистров 26’, 26’’ соединены шиной с входом микропроцессора 27.

Устройство управления (фиг.4) содержит генератор 28 тактовых импульсов с выходом F₀ частотой f_o, первое 29’, второе 29’’, третье 29’’’, четвертое 29^IV, пятое 29^V и шестое 29^VI логические устройства И, делитель частоты 30 с первым выходом F₁ частотой f₀/2, с вторым выходом F₂ частотой f₀/2², с третьим выходом F₃ с частотой f₀/2³, с четвертым выходом F₄ с частотой f₀/2^(3+k), с пятым выходом F₅ с частотой f₀/2^(4+k), с шестым выходом F₆ с частотой f₀/2^(4+k+n), первый 31’, второй 31’’, третий 31’’’ и четвертый 31^IV инверторы. Выход F₀ генератора 28 тактовых импульсов соединен с входом делителя частоты 30, с первыми входами первого 29’, второго 29’’, третьего 29’’’ и четвертого 29^IV логических устройств И, с тактовым входом микропроцессора 27. Первый выход F₁ делителя частоты 30 соединен с входом первого 31’ и второго 31’’ инверторов, с вторыми входами третьего 29’’’ и четвертого 29^IV логических устройств И, второй выход F₂ делителя частоты 30 соединен с тактовым входом аналого-цифровых преобразователей 24’, 24" и с первыми входами пятого 29^V и шестого 29^VI логических устройств И. Третий выход F₃ делителя частоты 30 подключен к второму входу пятого логического устройства И 29^V и к входу третьего инвертора 31’’’, четвертый выход F₄ делителя частоты 30 соединен с третьим входом пятого логического устройства И 29^V и с вторым входом шестого логического устройства И 29^VI. Пятый выход F₅ делителя частоты 30 подключен к четвертому входу пятого логического устройства И 29^V и к третьему входу шестого логического устройства И 29^VI, шестой выход F₆ делителя частоты подключен к входу четвертого инвертора 31^IV и к входам управления второго 23’’ и третьего 23^IV электронных ключей. Выход первого инвертора 31’ соединен с вторым входом второго логического устройства И 29’’. К четвертому входу пятого логического устройства И 29^V подключен выход третьего инвертора 31’’’, выход шестого логического устройства И 29^VI соединен с третьими входами второго 29’’ и четвертого 29^VI логических устройств И. Выход пятого логического устройства И 29^V подключен к третьему входу третьего логического устройства И 29’’’ и к второму входу первого логического устройства И 29’, к третьему входу которого подключен выход второго инвертора 31’’. Выход F₇ четвертого инвертора 31^IV соединен с управляющим входом первого 23’ и четвертого 23^IV электронных ключей. К четвертым входам второго 29’’ и четвертого 29^IV логических устройств И подключен выход F₁₄ считывания из микропроцессора 27. Выход F₉ третьего логического устройства И 29’’’ соединен с входами разрешения записи в регистрах 26’, 26’’. Выход F₁₀ первого логического устройства И 29’ подключен к входам обнуления реверсивных счетчиков 25’, 25’’. Выход F₁₁ шестого логического устройства И 29^VI подключен к входу запроса прерывания микропроцессора 27. Выход F₁₂ четвертого логического устройства И 29^IV соединен с входом счета регистра 26’ первого канала, выход F₁₃ второго логического устройства И 29’’ подключен к входу счета регистра 26’’ второго канала.

Делитель частоты 30 может быть выполнен в виде нескольких последовательно соединенных делителей частоты на 2.

Гравиметр работает следующим образом. Его устанавливают так, чтобы измерительная ось 13-13 гравиметра была направлена по вектору ускорения свободного падения. Сила тока источника тока 22 выбрана такой, чтобы создаваемая этим током в силовом преобразователе сила полностью или частично компенсировала силу тяжести. Изменение ускорения свободного падения приводит к изменению силы тяжести и появлению сигнала на выходе преобразователя положения. После усиления сигнала преобразователя положения в усилителе 21 проходящим с выхода усилителя 21 через компенсационную катушку 7 током на первом резисторе R1 и втором резисторе R2 создается напряжение U_a, являющееся мерой изменения ускорения свободного падения.

Так как посредством подключенного к компенсационной катушке 7 источника тока 22 компенсируется часть силы тяжести, то изменение ускорения свободного падения вызывает изменение напряжения U_a, максимальное значение которого близко к максимальному выходному напряжению усилителя 21. Поэтому повышается точность измерения ускорения свободного падения вследствие повышения разрешающей способности гравиметра. При вибрационных воздействиях часть переменной составляющей напряжения U_a шунтируется посредством конденсатора С. Поэтому на долю постоянной составляющей напряжения U_a остается большая часть выходного напряжения усилителя 21.

Сигнал частотой f_o на выходе F₀ (фиг.5, б) генератора тактовых импульсов 28 в делителе частоты 30 преобразуется так, что на его выходе F₆ (фиг.5, д) и на выходе F₇ (фиг.5, ж) четвертого инвертора 31^IV получаются импульсы частотой f_o/2^(4+k+n). В результате первый 23’ и четвертый 23^IV электронные ключи замыкаются, а второй 23’’ и третий 23’’’ электронные ключи размыкаются.

Напряжение U_a (фиг.5, а) нагрузки усилителя 21 через замкнутый первый электронный ключ 23’ подается на вход аналого-цифрового преобразователя 24’, где преобразуется в частотно-импульсный сигнал с частотой f_ацп1:

где К - коэффициент преобразования аналого-цифрового преобразователя 24’;

U₀₁ - приведенный к входу собственный сигнал аналого-цифрового преобразователя 24’.

Реверсивный счетчик 25’ преобразует сигнал, поступающий с выхода аналого-цифрового преобразователя 24’, в количество импульсов

где t₁ - интервал времени счета, определяемый частотой F₈ (фиг.5, г) на выходе пятого логического устройства И 29^V:

где W_a, W₀₁ - количество импульсов, определяемое сигналами U_a и U₀₁ соответственно.

По сигналу с выхода F₉ (фиг.5, и) третьего логического устройства И 29’’’ содержимое реверсивного счетчика 25’ переписывается в регистр 26’, преобразуясь в код:

где N_a, N₀₁ - код, определяемый количеством импульсов W_a и W₀₁ соответственно.

По сигналу с выхода F₁₀ (фиг.5, к) первого логического устройства И 29’ производится обнуление реверсивного счетчика 25’.

По получении сигнала запроса прерывания с выхода F₁₁ (фиг.5, л) шестого логического устройства И 29^VI микропроцессор 27 с выхода f₁₄ (фиг.5, м) подает сигнал на считывание на входы четвертого логического устройства И 29^IV и второго логического устройства И 29’’. По сигналу с выхода F₁₂ (фиг.5, н) четвертого логического устройства И 29^IV производится считывание кода N₁ из регистра 26’ в микропроцессор 27. В микропроцессоре 27 суммируются коды N₁ в интервале времени от 0 до t₂

При этом в микропроцессоре 27 производится накопление кода N’с1

В момент времени t₂ первый электронный ключ 23’ и четвертый электронный ключ 23^IV становятся разомкнутыми, а второй 23 и третий 23’’’ электронные ключи становятся замкнутыми. Поэтому за интервал времени счета t₁ реверсивный счетчик 25’ и подсчитывает W₀₁ количество импульсов, определяемое сигналом U₀₁, а в регистре 26’ формируется код N₀₁. В интервале времени от t₂ до t₃, равном интервалу времени от 0 до t₂, в микропроцессоре 27 производится накопление кода первого канала

В интервале времени от t₂ до t₃ подаваемый на вход аналого-цифрового преобразователя 24’’ сигнал преобразуется в частотно-импульсный с частотой f_ацп2:

где U₀₂ - приведенный к входу собственный сигнал аналого-цифрового преобразователя 24’’.

Количество импульсов W₂ за интервал времени счета t₁ на выходе реверсивного счетчика 25’’:

где W₀₂ - количество импульсов, определяемых сигналом U_02. Содержимое реверсивного счетчика 25’’ преобразуется в регистре 26’’ в код:

где N₀₂ - код, определяемый количеством импульсов W₀₂.

Операции обнуления реверсивного счетчика 25’’, записи в регистр 26’’ второго канала производятся аналогично операциям в первом канале.

Считывание кода N₂ регистра 26’’ в микропроцессор 27 производится по сигналу выхода F₁₃ (фиг.5, п) второго логического устройства И 29’’.

В микропроцессоре 27 производится накопление кода второго канала:

В интервале времени от 0 до t₂ в микропроцессоре 27 производится накопление кода второго канала:

В микропроцессоре 27 вычисляется код N_g изменения ускорения свободного падения.

Посредством произведенного процесса обработки информации в гравиметре устраняется погрешность определения изменения ускорения свободного падения при преобразовании аналогового сигнала в код.

При калибровке гравиметра производится точное измерение части ускорения свободного падения, компенсируемого сигналом от источника тока 22. Код скомпенсированной части ускорения свободного падения может быть записан в микропроцессоре 27. Этот код вместе с кодом N_g измерения ускорения свободного падения позволяет определить полную величину ускорения свободного падения.

Источники информации

1. Патент РФ №2096813, кл. G 01 V 7/02, 7/04, 7/12, Гравиметр, 1996 г.

2. Авторское свидетельство СССР №575596, кл. G 01 V 7/04. Устройство для измерения силы тяжести, 1977 г.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к прецизионным измерительным преобразователям для измерения ускорения свободного падения. Сущность: гравиметр содержит чувствительный элемент, преобразователь положения, силовой преобразователь с компенсационной катушкой, первый резистор, измерительную схему, источник тока, усилитель, а также второй резистор с конденсатором, четыре электронных ключа, микропроцессор, устройство управления. Источник тока подключен параллельно компенсационной катушке, измерительная схема имеет первый и второй каналы, каждый из которых содержит аналого-цифровой преобразователь, реверсивный счетчик, регистр. Технический результат: обеспечение цифрового выхода сигнала гравиметра, упрощение конструкции чувствительного элемента, повышение устойчивости к вибрационным воздействиям, повышение точности измерения. 5 ил.

Гравиметр, содержащий корпус, чувствительный элемент с направлением его измерительной оси по вектору ускорения свободного падения, преобразователь положения, силовой преобразователь с постоянным магнитом на корпусе и компенсационной катушкой на чувствительном элементе, усилитель, нагрузку с первым резистором, измерительную схему, устройство частичной компенсации силы тяжести с источником тока, причем к выходу усилителя подключены последовательно соединенные первый резистор и компенсационная катушка, отличающийся тем, что в нагрузку введены соединенный последовательно с первым резистором второй резистор и подключенный параллельно ему конденсатор, в гравиметр введены первый, второй, третий и четвертый электронные ключи, микропроцессор, устройство управления, источник тока подключен параллельно к компенсационной катушке, измерительная схема имеет первый и второй каналы, каждый из которых содержит аналого-цифровой преобразователь, реверсивный счетчик, регистр, в каждом канале к выходам аналого-цифрового преобразователя подключены входы реверсивного счетчика, к выходу которого подключен вход данных регистра, выходы регистров обоих каналов соединены шиной с входом микропроцессора, выход нагрузки подключен к входам первого и второго электронных ключей, выход первого электронного ключа подключен к входу третьего электронного ключа и к входу аналого-цифрового преобразователя первого канала, выход второго электронного ключа подсоединен к входу четвертого электронного ключа и к входу аналого-цифрового преобразователя второго канала, выходы третьего и четвертого электронных ключей соединены с общей шиной гравиметра, устройство управления содержит первое, второе, третье, четвертое, пятое и шестое логические устройства И, генератор тактовых импульсов с выходом частотой f_о, делитель частоты с первым выходом частотой f_о/2, с вторым выходом частотой f_о/2², с третьим выходом с частотой f_о/2³, с четвертым выходом с частотой f_о /2^(з+k), с пятым выходом с частотой f_о/2^(4+k), с шестым выходом с частотой f_о/2^(4+k+n), первый, второй, третий и четвертый инверторы, выход генератора тактовых импульсов соединен с входом делителя частоты, с первыми входами первого, второго, третьего и четвертого логических устройств И, с тактовым входом микропроцессора, первый выход делителя частоты соединен с входом первого и второго инверторов, с вторыми входами третьего и четвертого логических устройств И, второй выход делителя частоты соединен с тактовым входом аналого-цифровых преобразователей обоих каналов и с первыми входами пятого и шестого логических устройств И, третий выход делителя частоты подключен к второму входу пятого логического устройства И и к входу третьего инвертора, четвертый выход делителя частоты соединен с третьим входом пятого логического устройства И и с вторым входом шестого логического устройства И, пятый выход делителя частоты подключен к четвертому входу пятого логического устройства И и к третьему входу шестого логического устройства И, шестой выход делителя частоты подключен к входу четвертого инвертора и к входам управления второго и третьего электронных ключей, выход первого инвертора соединен с вторым входом второго логического устройства И, к четвертому входу пятого логического устройства И подключен выход третьего инвертора, выход шестого логического устройства И соединен с третьими входами второго и четвертого логических устройств И, выход пятого логического устройства И подключен к третьему входу третьего логического устройства И и к второму входу первого логического устройства И, к третьему входу которого подключен выход второго инвертора, выход четвертого инвертора соединен с управляющим входом первого и четвертого электронных ключей, к четвертым входам второго и четвертого логических устройств И подключен выход считывания из микропроцессора, выход третьего логического устройства И соединен с входами разрешения записи в регистрах первого и второго каналов, выход первого логического устройства И подключен к входам обнуления реверсивных счетчиков первого и второго каналов, выход шестого логического устройства И подключен к входу запроса прерываний микропроцессора, выход четвертого логического устройства И соединен со входом счета регистра первого канала, выход второго логического устройства И подключен к входу счета регистра второго канала.