Устройство для измерения величины и направления угла наклона Советский патент 1983 года по МПК G01C9/36 

. Изобретение относится к контроль но-измерительной технике и служит для измерения величины и направления углов наклона объектов. Известны устройства для определе ния пространственного положения объекта, содержащие по два ориентированных ортогонально друг относительно друга датчика сферического типа с парами электродов в каждой, смачиваемые электропроводящей жидкостью, сопротивления которых либо сопротивления столбов жидкости межд электродами линейно изменяются при изменениях углов наклона l и 2J. Недостатком указанных устройств является ограниченный диапазон изме ряемых углов наклона, а также большая погрешность измерения величины и направления угла наклона. Известны датчики наклона сферического типа, выполненные в виде двух сообщающихся тороид альных трубок, развернутых друг относительно друга на 90° и заполненных ртутью, находящейся в контакте с общим электродом. Остальная часть трубок заполнена электролитом с сопротивлением, большим чем у ртути. Внутрь трубок вмонтированы электррды, В горизонтальном положении элек рическая проводимость между общим электродом и остальными четырьмя электродами одинакова. При наклонах ртуть перемещается, при этом изменяется электрическая проводимость между электродами, и дает информаци о величине и направлении угла накло ;на 3. Данное устройство имеет ограниче ный диапазон измеряемых углов накло на и большую погрешность измерения величины и направления углов наклон Кроме того, диапазон измеряемых углов наклона ограничен сектором в основании датчика, заполненным . ртутью. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому является устройство д измерения величины и направления угла наклона, содержащее полый шар, до половины заполненный электропроводной жидкостью, и преобразователь омического типа с электродами в вид шаровых сегментов, погруженных до половины в электропроводную жидкост и включенных в измерительную схему Цель изобретения - повышение точ ности измерения величины и направле ния угла наклона. Поставленная цель достигается тем, что устройство, содержащее полый шар, до половины заполненный электропроводной жидкостью, и разме щенные, в ней электроды в виде шаровых сегментов, включенные в измерительную схему, снаблсено -дополнительно полым шаром с электропроводной жидкостью и шаровыми сегментами-электродами, аналогичными по выполнению основным, причем в каждом из шаров помещена пара шаровых электродов, развернутая на 90 относительно другой пары, а все шаровые сегменты имеют угол раскрыва, равный 124,8°. На фиг.1 приведена схема устройства, вид сверху; на фиг .2 - сфера одной из частей устройства; на фиг.З - принципиальная схема устройства на фиг.4 - шкала. Устройство (фиг.1) содержит полый шар 1 с парой симметричных электродов 2 и 3, второй шар 4 со своей парой электродов 5 и 6, развернутой на 90 относительно первой пары электродов, генератор 7 опорных синусоидальных сигналов и регистрирующее устройство 8. Полые шары 1 и 4 заполнены до половины электролитом 9. Электроды выполнены в виде вертикально расположенных сегментов., образованных дугами большого круга и углом раскрыва 124,. Устройство работает следующим образом. В горизонтальном положении площади электродов, смачиваемые электролитом, равны между собой и равны S, следовательно, и снимаемый сигнал равен нулю. Шар (фиг.2) схематически представляет один из датчиков с электродом, образованным вертикальными дугами 10 и 11 большого круга с углом раскрыва /3 . Дуга 12 делит электрод пополам и повернута на угол; Ч относительно нулевого направления наклона датчика. Второй симметричный электрод на чертеже не показан, у - вертикальная ось датчика; уось датчика после его наклона .на угол oi ; Ч - угол направления наклона. Сечение АВ В определяет уровень электролита, сечение - границу смачиваемости шара после наклона. Из рассмотрения прямоугольных сферических треугольников ABB и .., (углы В и В равны 90°, а угол А cat) находим изменение смачиваемой электролитом площади электрода при наклоне датчика на угол oL и повороте его на угол t , равное разности площадей прямоугольных треугольников ( -f-jstno -. го cosCos arcCOS COS где S-,- изменение площади электрода;Г - радиус сферы. Изменение смачиваемой электролитом площади симметричного электрода, повернутого на угол 180°, определяется таким же выражением, но с противоположным знаком. Для второго датчика, повернутого относительно первого на угол 90°, изменение площади электрода л52 может быть представлено следующим выражением:52 r |arcc05sin(4+|lsinot-c(rccos5in(/-j) xsinot,(2) Соответственно, Для симметричного электрода изменение площади аналогично, но со знаком минус. Принципиальная схема устройства аналогична приведенной на фиг.3, ве ....«..«. гч ч 2 fJ и R - сопротивле ЛИЧИНЫ ния четырех электродов датчиков при их горизонтальном положении. Сопротивления эти одинаковы и равны р. Изменение смачиваемой электролитом площади электрода д5 приводит к изменению сопротивления дК, равному о pd pd «о -- D f 1 1 . S - S+flS где d - расстояние между электродом и сферическим корпусом датчика;f удельное сопротивление элект ролита. Значения проводимостей электродов для описываемого устройства:

, .

.

)1jj(Mrccoscos(tf+|)5inoi-avccoscx)s y-f/sinoij l«rcoossin(t/+ |sinoi-cncco3StnW- |stnot ./(10J circcossin circt({7j- arctqj qrccoscos где c6 и Ч - текущие переменные; /i - величина постоянная, выбираемая из условия минимальности погрешности по величине и направлению углов наклона. Методом итераций находят угол ,8°, при котором погрешности по углу и направлению наклона минимальны. Шкала (фиг.4) построена по результатам вычислений. Как видно, шкала предлагаемого устройства отличается 4 1 4+4«4 Полагая, что входное сопротивлесхемы, индикации Й,К , получим x .coscos 4+||sind.-c -«ГС COS cos (-|)sinotjsinujt UQjjSinu)t ;(в n 2. г/ В , -g-l oirccossiti if+|-|sin«i-arccossinx (f) I е i/o, ay амплитудные значения сигналов. При подаче сигналов Uc,x и Uav на истрирующие устройства получаем экране пятно, положение которого актеризует величину об .и направлеугла Ч наклона датчика /sfnc/. -avcco9 SH.n {(- -f-) Sinct f Y|sinc{,-oirccoBMsl4-g-jsinoi ,,j от круговой шкалы в полярной системе координат не более чем на 0,9% в диапазоне углов наклона 0-80°; а шкала прототипа в указанном диапазоне углов имеет существенные отличия от круговой - до 27,6%. Таким образом, устройство имеет большую точность измерений: наприМер, при наклоне в 45° погрешность измерения величины и направления наклона не превышает 0,3.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ВЕЛИЧИНЫ И НАПРАВЛЕНИЯ УГЛА НАКЛОНА ОБЪЕКТА, содержащее полый шар, до половины наполненный электропроводной жидкостью, и размещенные в ней электроды в виде шаровых сегментов, включенные в измерительную схему, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено дополнительно полым шаром с электропроводной жидкостью и шаровыми сегментами-электродами, аналогичными по выполнению основным, причем в каждом из шаров помещена пара электродов, развернутая на 90° относительно другой пары, а все шаровые сегменты имеют угол раскрыва, равный 124,8. -UtOHit оо № -UtviM

C/e3wu)i

i/0 costal Rjl-Affy

Iо

-i/oCosui /Pv fft/ -о

г/х

0

Uy

-o off

,3

321

220

0

60

120

fva

1b(f

CPuf.H