Ультразвуковой маятниковый угломер Советский патент 1991 года по МПК G01C9/20 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике, а именно к устройствам для измерения угла наклона объектов по отношению к вертикали или любому исходному положению, и может быть исполь- зовано в машиностроении, энергетике, геологии, строительстве, а также в научных экспериментах.

Целью изобретения является повышение точности.

На чертеже представлено устройство, общий вид.

Устройство содержит корпус 1, разделенный непроницаемой перегородкой 2 на две равные емкости, частично заполненные жидкостью 3, маятник 4, свободно качающийся на призматических опорах 5 в плоскости чертежа. Внутри маятника имеются два вертикальных канала образующих акустические волноводы 6, симметричные от- носительно плоскости симметрии корпуса (оси качения маятника), в нижних торцах этих каналов помещены пьезоэлементы 7, электрически соединенные по дифференциальной схеме с генератором 8 и измеритель- ным блоком 9. Каждый волновод 6 при помощи перепускных каналов 10 гидравлически сообщается с соответствующей емкостью в корпусе и образует с ней сооб- . щающийся сосуд. Между маятником и кор- пусом предусмотрен минимальный зазор 11 порядка нескольких десятых долей мм. Величина этого зазора должна быть достаточной для устранения касания маятника с корпусом. Кроме того, при малом зазоре улучшаются демпферные свойства маятника.

Устройство работает следующим образом.

Роль гравитационно-чувствительного элемента выполняет маятник 4. В исходном состоянии маятник занимает симметричное положение относительно корпуса 1. Уровень жидкости h при этом соответствует линии ABCD. Этот уровень является одина- ковым также и для обоих волноводов 6.

При наклоне корпуса 1 на угол А у (новое положение корпуса показано пунктиром) гидростатическое равновесие нарушается. При этом объем жидкости в свободном пространстве между маятником и перегородкой 2 в левой емкости уменьшается, а в правой - увеличивается. Положение маятника при этом относительно вертикали остается практически неизмен- ным, так как выталкивающая сила жидкости незначительна из-за разности плотности жидкости и маятника, изготовленного из тяжелого металла (например, стали). В результате этого происходит вытеснение жидкости из левой

емкости в волновод 6 и пространство, образованное зазором 11, при этом уровень жидкости поднимается на величину + Ah. В правой емкости происходит обратный процесс и уровень жидкости понижается на величину - Ah, а разность уровней составляет 2 A h.

Изменение уровня относительно исходного положения происходит на основе законов гидростатики: объем вытесненной жидкости равен объему погруженной части тела (маятника), а выталкивающая сила равна весу вытесненной жидкости.

Исходя из указанных законов, можно составить следующие соотношения: A VB A Vn (1)

где A VB - объем вытесненной жидкости;

AVn - объем погруженной части маятника.

Равенство (1) позволяет получить выражение (2)

Ah (2 si + SB) A HM-SM,(2)

где Ah- приращение высоты уровня жидкости в емкости и волноводах при на- клоне коргуса;

2 si - суммарная площадь зазоров между маятником и корпусом;

Se - площадь горизонтального сечения волновода;

А Нм-приведенное линейное перемещение маятника относительного корпуса;

5м - средняя площадь горизонтального сечения погруженной части маятника. Из выражения (2) следует

A h АНм

5м

AHwKs, (3)

2s, + Sb

где Ks - коэффициент соотношения площадей.

На практике имеет место Ks -1 (Ks 10...20), поэтому малое перемещение маятника АНМ вызывает большое (Ks - раз) изменение уровня жидкости A h в волноводах, что повышает чувствительность угломера.

Приведенное линейное перемещение маятника АНМ может быть представлено через средний радиус маятника RCp и угловое перемещение маятника А у в следующем виде:

AH Rcp-Ay(4)

С учетом равенства (4) выражение (3) приобретает следующий вид:

A h RCp -Ay-Ks,(5)

Из выражения (5) можно определить чувствительность угломера G:

Ah-R

-Јy-R

Cp PkS

V:p

Sm

V + Ьь

С учетом дифференциальной схемы включения двух волноводов имеем окончательно

G 2Rcp

Sm

5Л

(7)

Из выражения (6) следует важный вывод: для повышения чувствительности, следовательно, и точности угломера, необходимо выбрать максимально возможное значение коэффициента соотношения площадей Ks. На практике величина среднего радиуса маятника Rep ограничена допустимыми габаритными размерами угломера, поэтому параметром, варьируемым в широком интервале, является параметр Ks. Для выбора большого значения этого параметра согласно выражению (3) необходимо выбрать большое соотношение площади 8м по отношению к суммарной площади сечения всех зазоров и площади волновода. На практике это соотношение можно выбрать в пределах 10 - 20.

Разность уровней 2 Ah, возникающая в волноводах 6, фиксируется при помощи ультразвуковых импульсов, излучаемых пьезо- элементами 7, при этом импульсы отражаются границей раздела жидкость - воздух и возвращаются по волноводам б к пьезоэлементам. При этом разность времени возвращения импульсов пропор- циональна разности уровней 2 Ah. Эта разность регистрируется измерительным блоком 9.

Устройство имеет следующие преиму- щества.

Применение явления гидротрансформации значительно увеличивает чувствительность устройства к изменению угла наклона и повышает точность его измере- ния.

10

15

2Q

35

49

45

25

30

Способность маятника сохранять свое неизменное положение (выталкивающей силой жидкости можно пренебречь) позволяет получить перпендикулярную к оси волновода отражающую границу жидкость - воздух, что обеспечивает стабильный высокий коэффициент отражения ультразвука и повышает точность измерения.

Применение призматической опоры маятника уменьшает коэффициент трения и уменьшает зону нечувствительности устройства.

Помещение маятника в корпус с узкими зазорами между маятником и корпусом позволяет получить хорошие демпферные свойства и динамическую стабильность устройства.

Устройство предельно простое по конструкции и технологично в изготовлении и надежно в эксплуатации.

Формула изобретения

Ультразвуковой маятниковый угломер, содержащий корпус, полость которого частично заполнена жидкостью, два пьезоэле- мента,размещенные в плоскости измерёния.ни- же уровня жидкости и симметрично относительно плоскости симметрии корпуса, и из- мерительный блок, соединенный по дифференциальной схеме с пьезоэлемента- ми, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, он снабжен вертикальной непроницаемой перегородкой, установленной в плоскости симметрии корпуса, и маятником, выполненным в виде коромысла с двумя симметричными грузами, в каждом из которых выполнен вертикальный канал, сообщающийся по жидкости с полостью корпуса, а пьезоэлементы установлены в нижних торцах соответствующих вертикальных каналов, при этом внутренняя поверхность полости и наружная поверхность грузов расположены с зазором относительно друг друга и в плоскости измерений выполнены по дугам окружностей с центрами, совпадающими с точкой подвеса маятника.

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и служит для измерения угловых перемещений технических объектов. Целью изобретения является повышение точности. Указанная цель достигаЦ 5 ется тем, что в ультразвуковом маятниковом угломере, содержащем корпус 1, подвешенный на опорах маятник 4, пьезоэлементы 7, генератор электрических колебаний 8, измерительный блок 9, соединенный с пьеэо- элеметами по дифференциальной схеме. Маятник выполнен в виде свободно качающегося коромысла, содержащего два вертикальных симметричных относительно оси качания канала 6, образующие акустические волноводы. В нижних торцах последних расположены приемо-излучающие пьезоз- лементы, а корпус разделен вертикальной непроницаемой перегородкой 2 на две равные емкости, частично заполненные жидкостью 3 и гидравлически сообщающиеся с волноводами. 1 ил. сл о Ч) ю W