Устройство для измерения малых углов наклона Советский патент 1985 года по МПК G01C9/06 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения углов наклона объектов.

Целью изобретения является повышение точности измерения путем компенсации влияния изменений уровня рабочей жидкости в датчике.

На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит дифференциальный емкостный датчик 1, частично заполненный токопроводящей жидкостью 2, например ртутью, свободная поверхность которой служит общим электродом датчика. Внутрь датчика введены три плоских электрода, лежащих в одной плоскости над поверхностью жидкости 2, причем электроды 3 и 4 соединены через блок 5 коммутации с концами вторичной обмотки 6 трансформатора 7 с тесной индуктивной связью а электрод 8, расположенный посередине между электродами 3 и 4, подключен через блок 5 коммутации к выходу второго управляемого делителя 9 напряжения. Выход генератора 10 соединен с первыми входами первого и второго управляемых делителей 11 и 9 напряжения с входом инве ртора 12 и вторым входом системы 13 автоматического уравновешивания, выход которой связан через блок 5 коммутации с входами первого и второго уравновешивающих элементов 14 и 15, выходы которых соответственно подсоединены к вторым управляющим входам делителей It и 9. Кроме того, выход инвертора 12 подключен к третьему (дополнительному) .входу делителя 11 и через блок 5 KOMмутации и образцовый конденсатор 16 к первому входу системы 13 автоматического уравновешивания, который также соединен с общим электродом 2 датчика 1, выход первого управляеМОго делителя 1t напряжения соединен с серединой гаторичной обмотки 6 трансформатора 7, а выход второго управляемого делителя 9 - с первичной обмоткой 17 трансформатора 7. Блок 5 коммутации имеет два состояния. В первом состоянии в нем замкнуты те кгшчи, которые соединяют, концы вторичной Обмотки 6 трансфо1 атора 7 с электродами 3 и 4 датчика, а выход системы 13 авт(1атического уравновешивания - с входом первого уравнове- шиваищего элемента 14. При этом

осуществляется собственно измерение угла наклона. Во втором состоянии в блоке 5 коммутации замкнуты те ключи, которые соединяют третий электрод 8 датчика с выходом второго делителя 9, образованный конденсатор 16 - с выходом инвертора 12, а выход системь 13 автоматического уравновешивания - с входом второго уравновешивающего элемента 15. При этом осуществляется процесс компенсации. В процессе работы второе состояние предшествует первому. Состояние блока коммутации можно изменять вручную ,,рли с помощью специальных импульсов, вырабатьтаемых системой 13 автоматического уравновешивания после достижения состояния равновесия. В качестве уравновешивакщих элементов предлагается использовать реверсивные счетчики импульсов, а в качестве управляемых делителей напряжения цифроанапоговые преобразователи. Подключение инвертора 12 к первому управляемому делителю 11 напряжения необходимо для задания некоторого начального смещения, обеспечивающего уравновешивание устройства при измерении наклонов как в одну, так и в другую сторону от горизонтального положения. Информация о значении измеряемого угла наклона снимается с выхода первого уравновешивающего элемента 14.

Устройство работает следунщим образом.

. В состоянии блока 5 коммутации, соответствующем измерению, при некотором наклоне датчшса на входе системы 13 автоматического уравновешивания появляется райность токов протекающих через конденсаторы, образованные соответственно плоскими электродами 3 и 4 и общим электродом 2 датчика. При этом с выхода системы 13 автоматического уравновешивания на уравновешивающий элемент 14 начинают поступать команды (например, импульсы), что приводит к изменению его состояния и соответственно к изменению выходного напряжения U( управляемого делителя 11. Для состояния равновесия, при котором сигнал на выходе системы 13 автоматического уравновешивания отсутствует, можно записать вьфажение для этого напряжения ид и где и - напряжение, снимаемое с половины вторичной обмотки 6 трансформатора 7; 1 - расстояние между центрами плоских электродов 3 и 4; d - начальный зазор конденсаторо (при горизонтальном положени датчика), - измеряемый угол наклона. В выражение (1) входит параметр d, который обладает значительной нестабильностью, например температурой .Для устранения погрешности от нестабильности зазора перед измерением производится регулировка напряжения и таким образом, чтобы изменение зазора не влияло на результат измерения. Для этого блок 5 коммутации перед измерением переключают во второе состояние, при этом на вход системы 13 автоматического уравновешивания поступает разность токов, протекающих через образцовый конденсато 16 и конденсатор, образованный плоским электродом 8 и общим электродом датчика, емкость которого практически не изменяется при малых углах наклона, а зависит только от зазора (предполагается, что между электродами находится воздух, диэлектрическая проницаемость которого равна еди нице и остается постоянной при значительных изменениях температуры). Принимая, что количество витков первичной обмотки 7 равно половине витков вторичной обмотки 6 трансформатора 7, можно записать условие рав новесия схемы, когда блок 5 коммута-; ции находится во втором состоянии и Ur где Ur - напряжение генератора 10, S - площадь электрода 8, Сб - емкость образцового конденсатора. Напряжение U, равное выходному напряжению второго управляемого делителя 9, не изменяется при переключении блока S коммутации в режим измерения, так как остается неизменным состояние второго уравновешиваю- щего элемента 15 при отключении его входа от выхода системы 13 автоматического уравновешивания. Подставляя выражение (2) в выражение (1) и учитывая, что выходным параметром Р устройства является код на выходе уравновешивающего элемента 14, определяемый отношением, получаем окончательное выражение для угла наклона: где К - постоянная величина, равная 2S Таким образом, измеряемый угол ( прямопропорционален коду на выходе уравновешивающего элемента 14, когда схема находится в состоянии равновесия.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ УГЛОВ НАКЛОНА, содержащее генератор, трансформатор с индуктивной связью, дифференциальный емкостный датчик, выполненньй в виде сосудаj частично заполненного токопроводящей жидкостью, над поверхностью которой расположены первый и второй плоские электроды, систему автоматического уравновешивания, первый вход которой подключен к общему электроду датчика - токопроводящей жидкости, и первый уравновешивакщий элемент, выход которого соединен с вторым входом первого управляемого делителя напряжения, а средняя точка вторичной обмотки трансформатора соединена с выходом первого управляемого делителя напряжения, отличаю - щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений путем компенсации погрешности от влияния изменений уровня токопроводящей жидкости, оно снабжено вторым управляемым делителем напряжения, инвертором, вторым уравновешивающим элементом, блоком коммутации и образцовым конденсатором, а в датчик введен третий плоский электрод, расположенный в одной плоскости Ь первым и рторым электродами посередине меязду ними, причем выход генератора подсоединен к первым входам управляемых делителей напряжения, к второму входу системы автоматического уравновешис вания и к входу инвертора, выход которого соединен с третьим входом (Л первого управляемого делителя напряжения и через блок коммутации и образцовый конденсатор - с первым входом системы автоматического уравновешивания, выход системы автоматического уравновешивания через блок коммутации соединен с входами урав новешивающих элементов, выход второ1 го уравновешивающего элемента соеди:й нен с вторым входом Второго управляемого делителя напряжения, выход 00 последнего подключен к первичной обмотке трансформатора и через блок коммутации - к третьему электроду датчика, а концы вторичной обмотки трансформатора через блок коммутации соединены соответственно с первым и вторым электродами датчика.