УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА НАКЛОНА ПЛОСКОСТИ Российский патент 2016 года по МПК G01C9/22 

Область техники

Устройство относится к области измерительной техники и может быть использовано в геодезии; при строительстве протяженных гидротехнических сооружений; при создании приборов и устройств, требующих привязки к уровню горизонта; а также в технике физического эксперимента.

Уровень техники

Многие приборы для измерения угла наклона поверхности работают на принципе сообщающихся сосудов: теодолиты, манометры, нивелиры. Для определения угла наклона с помощью сообщающихся сосудов требуется знать уровень жидкости в них и расстояние между сосудами. Точность измерений таких приборов зависит от устройства измерения высоты столба жидкости в сосуде. Для измерения высоты столба жидкости используется либо шкала, нанесенная на сосуд, либо шкала, специально разработанная для данного устройства. Как правило, точность измерения с помощью обычных шкал не превышает 0.5 мм. Лучшую точность имеют инклинометры, обладающие двойной шкалой измерения. Их точность для большинства моделей составляет ±0.1°. Лучшую точность имеют инклинометры NB3 фирмы Seika (0.001° в диапазоне углов ±10°) [1], что для ряда приложений является не достаточным как по диапазону измеряемых углов, так и точности измерения. Для решения данной задачи были предложены различные способы и устройства.

Известен способ определения угла наклона и датчик угла наклона [2], в котором применяется магнитная жидкость, помещенная в U-образный трубчатый гидроуровень, на одном из концов которого выполнена обмотка, связанная с электрической схемой. При наклоне U-образного трубчатого гидроуровня магнитная жидкость попадает в зону обмотки. По изменению электрической характеристики обмотки регистрируется уровень жидкости в трубке, требуемый для вычисления угла наклона.

Известен способ определения угла наклона и устройство для его осуществления [3], основанный на перемещении тела качения относительно стационарного положения в камере с жидкостью под действием силы тяжести. Перемещение тела происходит в чувствительной зоне, создаваемой активным элементом, расположенным ниже корпуса камеры. Расстояние между активным элементом и телом качения регулируется. В зависимости от способа создания чувствительной зоны активный элемент может состоять из: 1) металлических обкладок, расположенных концентрическим образом и образующих электрическую емкость между собой; 2) катушки индуктивности: 3) постоянного магнита. В качестве тела качения может использоваться шар, диск или цилиндр, а поверхность качения выполняют в виде сферы, конуса или поверхности с заданной кривизной. Поверхность для перемещения тела качения имеет фиксированный угол относительно уровня горизонта. При наклоне поверхности качения, превышающем заданный угол, тело начинает катиться под действием силы тяжести до точки, касательная в которой параллельна уровню горизонта. Амплитуда сигнала, формируемого активным элементом, зависит от положения тела качения, что позволяет определять угол наклона.

У этого известного технического решения имеются недостатки:

- при реализации поверхности для качения в симметричном виде в плоскости XY (сфера, конус и другие, заявляемые автором) направление качения, а следовательно, и угол наклона, является неопределенным при заявленных способах регистрации, так как при одинаковом отклонении в любую сторону амплитуда сигнала будет идентичной;

- точность регистрации угла наклона зависит от крутизны катящей поверхности и будет падать с ее увеличением, что требуется для увеличения диапазона измеряемых углов;

- способ определения имеет температурную зависимость, по крайней мере, при емкостном варианте регистрации сигнала, связанную с температурной зависимостью диэлектрической постоянной жидкости.

Известен способ определения угла наклона плоскости по величине емкости конденсаторов, помещенных в сообщающиеся сосуды [4], выбранный в качестве прототипа. Устройство для реализации этого способа содержит два жидкостных конденсатора, помещенные в сосуды из диэлектрического материала. Сосуды установлены на общей подложке на определенном расстоянии относительно друг друга и соединены между собой трубкой. Верхние обкладки конденсаторов плавают на поверхности жидкости, а нижние обкладки подключены к нулевому проводу устройства. Высота столба жидкости в сосудах, необходимая для вычисления угла наклона, определяется путем одновременного измерения емкости конденсаторов, помещенных в сосуды, между обкладками которых находится жидкость. По измеренным значениям емкостей вычисляют угол наклона плоскости, определяемый линией горизонта и линией, проходящей через центры основания сосудов. Влияние неточности измерения размеров устройства компенсируется с помощью предварительной калибровки. Влияние температуры на точность измерения емкости также учитывается по зависимости диэлектрической проницаемости жидкости и материала сосудов от температуры.

Ставилась задача разработать устройство измерения угла наклона плоскости с точностью измерения угла (10^-6-10^-7)° для техники физического эксперимента, что почти на два порядка превышает точность измерения прототипа. Устройство должно отличаться высокой надежностью, доступностью в реализации и удобством в применении. Например, проектируемый ускоритель в рамках международного проекта "Компактный Линейный Коллайдер" (The Compact Linear Collider) [5] должен обеспечить электронный пучок по вертикальной координате порядка 5·10^-9 метра [6]. Для обеспечения требований монтаж ускорительных элементов пучка, криомодулей, необходимо выполнять с прецизионной точностью. Поэтому задача контроля угла наклона криомодулей при их установке является важной проблемой.

Раскрытие изобретения

Поставленная задача решается тем, что берется известный способ измерения угла наклона с помощью сообщающихся сосудов посредством измерения уровня жидкости в сосудах емкостным методом. Устройство для реализации способа включает два жидкостных конденсатора, сообщающихся между собой с помощью соединительной трубки. Каждый конденсатор представляет собой сосуд из диэлектрического материала. Сосуды помещаются на общей подложке на определенном расстоянии относительно друг друга. Нижние обкладки конденсаторов крепятся к дну сосуда и подключаются к нулевому потенциалу, а верхние обкладки свободно плавают на поверхности жидкости, помещенной в сосуды. При такой реализации конденсаторов их емкость пропорциональна величине столба жидкости в сосуде, требуемой для вычисления угла наклона плоскости. Кроме того, в устройство введены два автогенератора, прибор для измерения частоты и для каждого конденсатора две индуктивности фиксированной величины, соединенные последовательно. Один вывод соединенных индуктивностей подключается к верхней обкладке соответствующего конденсатора, а другой - к нулевому проводу устройства. Индуктивности совместно с конденсаторами образуют резонансные LC схемы, которые подключены к частотозадающим входам автогенераторов. Выходы автогенераторов подключены к прибору одновременного измерения частоты автогенераторов, значения которых позволяют вычислить угол наклона плоскости по формуле:

φ - измеряемый угол наклона плоскости;

R - расстояние между сосудами, определяемое по линии между центрами их оснований;

k - коэффициент отношения калиброванных площадей обкладок конденсаторов;

H_К - калиброванное значение высоты столба жидкости в сосудах при нулевом угле наклона;

ε₀ - диэлектрическая постоянная вакуума;

ε - диэлектрическая проницаемость жидкости;

S_1К - калиброванная площадь верхней обкладки конденсатора в первом сосуде;

S_2К - калиброванная площадь верхней обкладки конденсатора во втором сосуде;

L=L₁+L₂ - суммарная индуктивность LC схемы.

Отношение индуктивностей L₂/(L₁ и L₂) позволяет регулировать амплитуду автогенератора;

f_1К - частота первого автогенератора при калибровке;

f_2К - частота второго автогенератора при калибровке;

f_1П - частота первого автогенератора в режиме определения паразитной емкости соединительных проводов и входа автогенератора;

f_2П - частота второго автогенератора в режиме определения паразитной емкости соединительных проводов и входа автогенератора;

f₁ - частота первого автогенератора при измерении угла наклона;

f₂ - частота второго автогенератора при измерении угла наклона.

При измерении угла наклона подложка с конденсаторами устанавливается на измеряемую плоскость. В соответствии с принципом работы сообщающихся сосудов уровень жидкости относительно линии горизонта в них будет одинаковым. При этом в зависимости от наклона в одном сосуде высота жидкости относительно нулевого угла наклона уменьшится, а в другом увеличится на одну и ту же величину, что приведет к изменению значения емкостей конденсаторов. Для определения угла наклона плоскости измеряют резонансные частоты каждой LC схемы, образованной индуктивностью фиксированной величины и емкостью конденсатора. Для этого к верхним обкладкам конденсаторов подключают индуктивности фиксированного номинала L=L₁+L₂, которые совместно с емкостью конденсаторов образуют параллельные резонансные LC схемы. Каждая LC схема используется в качестве частотозадающего узла автогенератора, частота которого пропорциональна высоте столба жидкости и зависит от угла наклона плоскости. Амплитуда сигнала автогенератора регулируется отношением индуктивностей в цепи обратной связи L₂/(L₁+L₂). Приборы измерения частоты имеют более высокую точность, поэтому измерение емкости с использованием частотного преобразования с помощью LC схемы позволяет существенно улучшить точность определения угла наклона плоскости. Чтобы повысить точность определения угла наклона предлагаемого устройства, площади обкладок конденсаторов, высоту столба жидкости в сосудах и паразитные емкости соединительных проводов калибруют при нулевом угле наклона.

Для учета влияния температуры одновременно с измерением угла наклона плоскости измеряют температуру окружающей среды и корректируют погрешность изменения столба жидкости в сосудах, связанную с температурным расширением используемой жидкости и материала сосудов, исходя из их известной зависимости от температуры, а угол наклона вычисляют по формуле:

φ - измеряемый угол наклона плоскости;

H_К - калиброванное значение высоты столба жидкости в сосуде при нулевом угле наклона;

R - расстояние между сосудами, определяемое по линии между центрами их оснований;

Т - температура окружающей среды при измерении наклона;

Т_К - температура окружающей среды во время калибровки;

α_ж(Т) - значение коэффициента температурного расширения жидкости при температуре измерения угла наклона;

α_ж(Т_К) - значение коэффициента температурного расширения жидкости при температуре калибровки;

α_с(Т) - значение коэффициента температурного расширения материала сосуда при температуре измерения угла наклона;

α_с(T_К) - значение коэффициента температурного расширения материала сосуда при температуре калибровки;

f₁ - частота первого автогенератора при измерении угла наклона;

f₂ - частота второго автогенератора при измерении угла наклона;

f_1П - частота первого автогенератора в режиме определения паразитной емкости соединительных проводов и входа автогенератора;

f_2П - частота второго автогенератора в режиме определения паразитной емкости соединительных проводов и входа автогенератора.

Совокупность указанных решений позволяет повысить точность измерения угла наклона и обеспечить требования, предъявляемые в технике физического эксперимента.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами:

1. На фигуре 1 (приложение 1) показано устройство измерения угла наклона плоскости в режиме калибровки.

2. На фиг. 2 (приложение 1) показано устройство для измерения угла наклона плоскости в режиме измерения.

3. На фиг. 3 (приложение 2) приведена зависимость диэлектрической проницаемости воды от температуры.

4. На фиг. 4 (приложение 3) показан вариант реализации схемы автогенератора.

Элементы устройства показаны на фиг. 1 (приложение 1) в режиме калибровки и фиг. 2 (приложение 1) - в режиме измерения угла наклона плоскости. Предлагаемое устройство включает: 1 и 5 - индуктивности резонансных LC схем; 2 и 4 - автогенераторы; 3 - прибор для одновременного измерения частоты автогенераторов; 6 и 7 - сообщающиеся сосуды; 8 и 9 - верхние обкладки конденсаторов; 12 - соединительная трубка; 13 - подложка для установки сосудов; 14 и 15 - нижние обкладки конденсаторов.

Схема автогенератора реализована на основе операционного усилителя с температурной компенсацией - U1. Резонансная LC схема состоит из емкости конденсатора - С, соединенного параллельно с индуктивностями фиксированной величины L₁ и L₂, причем L=L₁+L₂. Суммарное значение индуктивностей совместно с емкостью конденсатора определяет частоту колебаний автогенератора. Делитель из индуктивностей (L₁ и L₂) позволяет подстроить амплитуду сигнала автогенератора пропорционально L₂/(L₁+L₂).

Работа устройства основана на принципе сообщающихся сосудов, который позволяет определить угол наклона плоскости по разности высот столбов жидкости в сосудах и расстоянию между сосудами:

φ - измеряемый угол наклона;

H₁ - уровень жидкости в первом сосуде;

Н₂ - уровень жидкости во втором сосуде;

R - расстояние между сосудами.

Точность измерения высоты столба жидкости в сосуде можно повысить за счет преобразования высоты жидкости в сосуде в частоту резонансной LC схемы, образованной внешней индуктивностью L фиксированного номинала и емкостью жидкостного конденсатора С. В этом случае формула для вычисления угла наклона плоскости имеет вид:

где:

φ - измеряемый угол наклона;

H_К - калиброванная высота столба жидкости в сосудах при нулевом угле наклона;

R - расстояние между сосудами, определяемое по линии между центрами их оснований;

f₁ - частота первого автогенератора при измерении угла наклона;

f₂ - частота второго автогенератора при измерении угла наклона.

Чтобы обеспечить высокую точность определения угла наклона, площади верхних обкладок конденсаторов и высоту столба жидкости в сосудах калибруют при нулевом угле наклона и измеренной температуре. Элементы способа в режиме калибровки показаны на фиг. 1 (приложение 1). Калибровка позволяет учесть паразитную емкость соединительных проводов, нелинейные эффекты на краях конденсаторов, компенсировать ошибку измерения площади обкладок, с высокой точностью определить первоначальную высоту столба жидкости в сосудах и более точно определить расстояние между сосудами.

Калибровка выполняется следующим образом. Предварительно измеряется площадь верхних обкладок конденсаторов (8, 9), которые равны S_1И и S_2И соответственно для первого и второго конденсатора. Нижние обкладки конденсаторов (14, 15) крепятся на дне сосудов и могут иметь большую площадь. Они соединяются с проводом нулевого потенциала устройства. Критичной является площадь верхних обкладок. Далее сосуды 6 и 7 закрепляют на подложке 13, которую устанавливают на плоскость с нулевым уклоном. Между собой сосуды сообщаются с помощью трубки 12. При отключенных обкладках конденсаторов измеряют паразитные емкости входов автогенераторов и проводов, соединяющих обкладки с входами автогенераторов 2 и 4. В предлагаемом устройстве верхние обкладки конденсаторов подключают к частотозадающим входам автогенераторов 2 и 4. К этим входам также подключают последовательно соединенные индуктивности L₁ и L₂ фиксированной величины, нижний вывод которых подключается к нулевому проводу устройства. Паразитные емкости проводов и входа автогенератора совместно с индуктивностями 1 и 5 образуют резонансные LC схемы L=L₁+L₂. Частота автогенераторов определяется фиксированной величиной индуктивности L и паразитной емкостью входа автогенератора и соединительных проводов. Она измеряется прибором измерения частоты 3. По измеренным частотам вычисляются суммарную паразитную емкость в каждом канале регистрации:

ΔC₁=1/(2πf_1П)²·L

ΔC₂=1/(2πf_2П)²·L

ΔC₁ - паразитная емкость входа автогенератора и проводов для подключения конденсатора в первом сосуде;

ΔС₂ - паразитная емкость входа автогенератора и проводов для подключения конденсатора во втором сосуде;

f_1П - частота первого автогенератора в режиме определения паразитной емкости;

f_2П - частота второго автогенератора в режиме определения паразитной емкости;

L=L₁+L₂ - суммарное значение индуктивности LC схемы.

Затем к проводам подключают верхние обкладки конденсаторов 8 и 9, и в сосуды 6 и 7 наливают определенное количество жидкости. В этом случае уровни жидкости в сосудах 10, 11 будут одинаковыми, а емкости конденсаторов между обкладками 8, 14 (С₁₀) и обкладками 9, 15 (С₂₀) будут отличаться только за счет разницы площадей обкладок, краевых эффектов и определяться соотношениями:

С₁₀ - значение емкости первого конденсатора в режиме калибровки;

С₂₀ - значение емкости второго конденсатора в режиме калибровки;

ε₀ - диэлектрическая постоянная вакуума;

ε - диэлектрическая проницаемость жидкости;

Отношение величин емкостей С₁₀ и С₂₀ с учетом измеренных поправок ΔС₁, ΔС₂ равно отношению калиброванных площадей конденсаторов, которое будет константой при любом количестве жидкости в сосудах. Это позволяет компенсировать относительную ошибку в измерении площадей и учесть краевые эффекты обкладок конденсаторов.

k - коэффициент отношения калиброванных площадей конденсаторов.

Калиброванные значения площадей обкладок выражаются соотношениями:

S_1К=S_1И±ΔS₁ S_2К=S_2И±ΔS₂

S_1К - калиброванная площадь верхней обкладки первого конденсатора;

S_2К - калиброванная площадь верхней обкладки второго конденсатора;

S_1И - измеренное значение площади верхней обкладки в первом сосуде;

S_2И - измеренное значение площади верхней обкладки во втором сосуде;

ΔS₁ - ошибка измерения площади верхней обкладки в первом сосуде;

ΔS₂ - ошибка измерения площади верхней обкладки во втором сосуде.

Сосуды изготавливаются одинаковыми по форме и объему. Верхние обкладки конденсаторов также желательно сделать идентичными. Коэффициент k можно определить через измеренные площади обкладок конденсаторов:

При равной ошибке измерения площадей обкладок конденсаторов справедливы соотношения:

p=S_1И/S_2И - отношение измеренных площадей обкладок конденсаторов.

Минимальная ошибка определения площадей обкладок конденсаторов соответствует случаям, когда равные ошибки имеют противоположные знаки:

Знак ошибки площадей выбирается с учетом величин k и p. В случае k<p выбирается положительный знак для ошибки ΔS₁ и отрицательный для ΔS₂. Для случая k>p знаки ошибок заменяются на противоположные. Следует подчеркнуть, что коэффициент k определяется независимым отношением емкостей при калибровке, а коэффициент p определяется отношением измеренных площадей верхних обкладок конденсаторов. При другой комбинации знаков величина ошибок приближается к значению измеряемой площади, что для данной модели оценки ошибок является неправдоподобным и не рассматривается.

Калиброванные значения емкостей в сосудах C_1К (обкладки 8, 14) и C_2К (обкладки 9, 15) определяются по измеренным частотам автогенераторов:

C_1К=C₁₀-ΔC₁=1/(2πf₁₀)²·L-1/(2πf_1П)²·L

C_2К=C₂₀-ΔC₂=1/(2πf₂₀)²·L-1/(2πf_2П)²·L

C_1К - калиброванное значение емкости первого конденсатора;

C_2К - калиброванное значение емкости второго конденсатора;

С₁₀ - емкость первого конденсатора в режиме калибровки;

С₂₀ - емкость второго конденсатора в режиме калибровки;

ΔС₁ - паразитная емкость входа автогенератора и проводов для подключения конденсатора в первом сосуде;

ΔС₂ - паразитная емкость входа автогенератора и проводов для подключения конденсатора во втором сосуде;

f₁₀ - частота первого автогенератора в режиме калибровки;

f₂₀ - частота второго автогенератора в режиме калибровки;

f_1П - частота первого автогенератора в режиме определения паразитной емкости проводов и входа автогенератора;

f_2П - частота второго автогенератора в режиме определения паразитной емкости проводов и входа автогенератора;

L=L₁+L₂ - суммарное значение индуктивности контура.

При калиброванном значении площадей обкладок конденсаторов и их емкостей можно прокалибровать уровень жидкости в сосудах при нулевом наклоне H_К, который равен:

Высота столба жидкости, налитой в сосуды, зависит и от диэлектрической проницаемости жидкости. В качестве жидкости предпочтительно выбрать воду. Она обладает высоким значением коэффициента диэлектрической проницаемости (~80), что позволяет сделать компактными размеры сосудов, и безопасна в работе. График зависимости диэлектрической проницаемости воды ε от температуры T приведен на фиг. 3 (приложение 2). Зависимость имеет вид: ε=0.00079T²-0.4Т+88. Относительная ошибка значения диэлектрической проницаемости составляет менее 10^-7 во всем диапазоне рабочих температур. Ошибка измерения высоты H_К складывается из ошибки определения площади конденсатора, ошибки измерения емкости и ошибки значения диэлектрической проницаемости.

Калибровка площадей конденсаторов и их емкостей с использованием преобразования в частоту позволяет получить ошибку порядка 5×10^-8. Ошибка измерения емкостей с помощью частотного преобразования составляет менее 10^-7. Поэтому суммарная ошибка определения высоты H_К с учетом калибровки не превышает 2×10^-7. При оценке точности определения угла наклона следует также учесть ошибку определения расстояния между сосудами. Приборы измерения расстояния в интервале 50-100 см имеют относительную ошибку 10^-5-10^-6, что существенно ниже точности измерения других параметров устройства. Точность определения расстояния между сосудами можно также повысить за счет калибровки. Для этого устройство устанавливается на плоскость с фиксированным углом наклона. Поскольку остальные параметры устройства прокалиброваны с точностью лучше 10^-7, то в формуле зависимости угла наклона неизвестным выбирается расстояние между сосудами, которое определяется с точностью, аналогичной измерению других параметров.

Процесс измерения угла наклона иллюстрирует фиг. 2 (приложение 1). При указанном на фигуре наклоне часть жидкости из сосуда 7 по соединительной трубке 12 будет перетекать в сосуд 6 до установления одинакового уровня в обоих сосудах относительно уровня горизонта. При этом высота столба жидкости 10 в сосуде 6 относительно нулевого угла наклона увеличится на величину h, а высота столба жидкости 11 в сосуде 7 уменьшится на величину h, что приведет к изменению емкостей конденсаторов. Емкость конденсатора в сосуде 6 (обкладки 8, 14) уменьшится и составит

Емкость конденсатора в сосуде 7 (обкладки 9, 15) увеличится и составит:

Значения емкостей C₁ и С₂ позволяют определить величину изменения столба жидкости в сосудах h:

Величины емкостей С₁ и С₂ определяются по измеренным частотам автогенераторов:

C₁=1/(2πf₁)²L, C₂=1/(2πf₂)²L

f₁ - частота автогенератора 2 при измерении угла наклона плоскости;

f₂ - частота автогенератора 4 при измерении угла наклона плоскости;

C₁ - емкость первого конденсатора (обкладки 8, 14) при измерении угла наклона плоскости;

C₂ - емкость второго конденсатора (обкладки 9, 15) при измерении угла наклона плоскости;

ΔC₁ - паразитная емкость входа автогенератора 2 и проводов для подключения конденсатора в первом сосуде;

ΔC₂ - паразитная емкость входа автогенератора 4 и проводов для подключения конденсатора во втором сосуде;

k - коэффициент отношения калиброванных площадей обкладок конденсаторов;

L=L₁+L₂ - суммарное значение индуктивности контура.

Из тригонометрических соотношений следует, что угол наклона равен:

где:

φ - измеряемый угол наклона;

H_К - калиброванное значение высоты столба жидкости в сосуде;

R - расстояние между сосудами, определяемое по линии между центрами их оснований;

k - коэффициент отношения калиброванных площадей верхних обкладок конденсаторов;

f₁ - частота автогенератора 2 при измерении угла наклона;

f₂ - частота автогенератора 4 при измерении угла наклона;

f_1П - частота первого автогенератора в режиме определения паразитной емкости входа автогенератора и проводов для подключения конденсатора в первом сосуде;

f_2П - частота второго автогенератора в режиме определения паразитной емкости входа автогенератора и проводов для подключения конденсатора во втором сосуде.

Современные приборы измерения емкости позволяют измерить ее величину с точностью 10^-5 пФ. Измерение емкости с помощью предложенного технического решения повышает точность ее измерения, а, следовательно, и точность определения угла наклона плоскости, на два порядка, что подтверждается приведенной ниже оценкой.

Частота резонансной LC схемы и ее изменение от емкости определяются соотношениями:

При частоте автогенератора 1.5·10⁷ Гц и точности ее измерения 0.1 Гц, емкости конденсатора 30 пФ, точность измерения емкости составит dC=4·10^-7 пФ. Стандартные приборы измерения частоты имеют точность измерения 10^-3 Гц, поэтому точность измерения емкости 10^-7 пФ вполне достижима. Основной вклад в ошибку измерения угла наклона будет вносить точность измерения расстояния между сосудами R, которая в результате калибровки также существенно улучшается.

Для учета влияния температуры одновременно с измерением емкостей конденсаторов измеряют температуру окружающей среды и корректируют погрешность изменения столба жидкости в сосудах, связанную с температурным расширением используемой жидкости и материала сосудов, исходя из их известной зависимости от температуры, а угол наклона вычисляют по формуле:

где:

φ - измеряемый угол наклона плоскости;

H_К - калиброванное значение высоты столба жидкости в сосуде;

R - расстояние между сосудами, определяемое по линии между центрами их оснований;

Т - температура окружающей среды при измерении угла наклона;

Т_К - температура окружающей среды при калибровке;

α_ж(T) - значение коэффициента температурного расширения жидкости при температуре измерения угла наклона;

α_ж(Т_К) - значение коэффициента температурного расширения жидкости при температуре калибровки;

α_с(Т) - значение коэффициента температурного расширения материала сосуда при температуре измерения угла наклона;

α_с(T_К) - значение коэффициента температурного расширения материала сосуда при температуре калибровки;

f₁ - частота первого автогенератора при измерении угла наклона;

f₂ - частота второго автогенератора при измерении угла наклона;

f_1П - частота первого автогенератора в режиме определения паразитной емкости входа автогенератора и проводов для подключения конденсатора в первом сосуде;

f_2П - частота второго автогенератора в режиме определения паразитной емкости входа автогенератора и проводов для подключения конденсатора во втором сосуде.

Для реализации устройства известны требующиеся приборы и детали. Стеклянную трубку, соединяющую сосуды, можно выбрать в каталоге и заказать в компании SCHOT Tubing [7]. Малый диаметр трубки позволяет компенсировать вибрацию жидкости. Компания выпускает трубки диаметром 1-10 мм и длиной до 3 м. Точность измерения температуры с помощью цифрового термометра РМТЕМР1 [8] равна 0.2° и отвечает предъявляемым требованиям. В качестве прибора измерения частоты можно использовать частотомер фирмы Agilent Technologies 53131А [9], который позволяет регистрировать частоту с точностью 5·10^-4 Гц. На фиг. 4 (приложение 3) приведен вариант схемы автогенератора. Отличительной особенностью схемы является высокая стабильность частоты и слабое влияние температуры. В схеме отсутствуют резисторы, наиболее подверженные температурному влиянию, а операционные усилители должны выбираться с учетом наличия в их схеме внутренней температурной компенсации.

Литература

[1] Датчик угла наклона NB3 фирмы SEIKA Mikrosystemtechnik GmbH,

www.prosensor.ru/article63.html

[2] Патент на изобретение №2397443 RU

[3] Патент на изобретение №2455616 RU

[4] Патент на изобретение №2521270 RU

[5] The Compact Linear Collider

http://clic-study.org

[6] "CLIC design, parameters and layout"

http://clic-study.org

[7] Стеклянные трубки компании SCHOT Tubing

www.schot.com

[8] Термометр цифровой PMTEMP1

www.chipdip.ru

[9] Частотомер 53131A, Agilent Technologies.

Устройство относится к области измерительной техники и может быть использовано в геодезии; при строительстве протяженных гидротехнических сооружений; при создании приборов и устройств, требующих привязки к уровню горизонта; а также в технике физического эксперимента. Технический результат от применения данного предложения заключается в повышении точности измерения угла наклона. Устройство для измерения угла наклона плоскости содержит два жидкостных конденсатора, помещенные в сосуды из диэлектрического материала. Сосуды установлены на общей подложке и сообщаются между собой с помощью соединительной трубки. К верхним обкладкам конденсаторов подключают индуктивности фиксированной величины. Индуктивность и емкость конденсатора в каждом сосуде образует резонансную LC схему, которая подключается к частотозадающему входу автогенератора. Частоту автогенераторов одновременно измеряют с помощью прибора. Работа устройства основана на определении высоты столба жидкости в двух жидкостных конденсаторах, помещенных в сообщающихся сосудах, по частоте автогенератора, которую можно измерить с более высокой точностью. По измеренным значениям частот вычисляют угол наклона с применением соответствующих формул. Температурное влияние на точность измерения угла наклона плоскости корректируется исходя из известной зависимости элементов устройства и параметров жидкости от температуры. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для измерения угла наклона плоскости, образованного линией горизонта и линией, проходящей через центры основания сосудов, содержащее два жидкостных конденсатора, каждый из которых представляет собой сосуд из диэлектрического материала, сообщающиеся между собой с помощью соединительной трубки и расположенные на определенном расстоянии относительно друг друга на общей подложке, причем нижние обкладки конденсаторов подключены к нулевому потенциалу устройства, а верхние обкладки плавают на поверхности жидкости, отличающееся тем, что в устройство введены два автогенератора, прибор для измерения частоты и две индуктивности фиксированной величины, каждая из которых подключена к верхней обкладке соответствующего конденсатора, индуктивности совместно с емкостями конденсаторов образуют резонансные LC схемы, которые подключены к частотозадающим входам автогенераторов, а выходы автогенераторов подключены к прибору одновременного измерения частоты автогенераторов, значения которых позволяют вычислить угол наклона плоскости по формуле:

где:
,
φ - измеряемый угол наклона плоскости;
k - коэффициент отношения калиброванных площадей обкладок конденсаторов;
H_K - калиброванное значение высоты столба жидкости в сосудах;
R - расстояние между сосудами, определяемое по линии между центрами их оснований;
ε₀ - диэлектрическая постоянная вакуума;
ε - диэлектрическая проницаемость жидкости;
S_1K - калиброванная площадь верхней обкладки конденсатора в первом сосуде;
S₂k - калиброванная площадь верхней обкладки конденсатора во втором сосуде;
L=L₁+L₂ - суммарное значение индуктивности LC схемы;
f_1K - частота первого автогенератора при калибровке;
f_2K - частота второго автогенератора при калибровке;
f_1П ^_ частота первого автогенератора в режиме определения паразитной емкости его и соединительных проводов;
f_2П - частота второго автогенератора в режиме определения паразитной емкости его входа и соединительных проводов;
f₁ - частота первого автогенератора при измерении угла наклона плоскости;
f₂ - частота второго автогенератора при измерении угла наклона плоскости.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что учитывая температуру окружающей среды непосредственно при измерении, корректируется значение угла наклона по формуле:

Где:
φ - измеряемый угол наклона плоскости;
H_K - калиброванное значение высоты столба жидкости в сосуде;
R - расстояние между сосудами, определяемое по линии между центрами их оснований;
Т_K - фиксированная температура при калибровке;
α_ж(Т) - значение коэффициента температурного расширения жидкости при температуре измерения угла наклона плоскости;
α_ж(Т_K) - значение коэффициента температурного расширения жидкости при температуре калибровки;
α_с(Т) - значение коэффициента температурного расширения материала сосуда при температуре измерения угла наклона;
α_с(T_K) - значение коэффициента температурного расширения материала сосуда при температуре калибровки;
k - коэффициент отношения калиброванных площадей обкладок конденсаторов;
f₁ - частота первого автогенератора при измерении угла наклона плоскости;
f₂ - частота второго автогенератора при измерении угла наклона плоскости;
f_1П - частота первого автогенератора в режиме определения паразитной емкости его входа и соединительных проводов;
f_2П - частота второго автогенератора в режиме определения паразитной емкости его входа и соединительных проводов.