Устройство для измерения ускорений Советский патент 1993 года по МПК G01P15/08 

Изобретение относится к устройствам для измерения ускорений, в особенности составляющих земного притяжения для измерения углов, на основе отклонения круглой металлической отклоняющейся части, которая для образования двух прилегающих один к другому конденсаторов удерживается на расстоянии между двумя конденсаторными пластинами в виде упругой мембраны между двумя частями общего корпуса.

В основу изобретения положена задача создать измерительный прибор этого рода, который при малых размерах и прочной компактной конструкции, в особенности также при передаче измерительного сигнала на большие расстояния, имел бы еще большую точность измерения при еще большей разрешающей способности индикации измерения.,

Решение этой задачи следует по изобретению за счет того, что конденсаторы каждый включен в колебательную цепь RC- гёнератора, а RC-генераторы соединены с цифровым компьютером, который пересчитывает возникающие за счет отклонения изменения частоты в измерительный сигнал.

Для компьютерной компенсации воздействующих на генераторы помех, например, под действием изменений температуры, предусмотрен добавочно по мень- .шей мере один опорный генератор, который спроектирован на постоянную частоту колебаний.

Генераторы предпочтительно выбираются такие, что их потребление составляет

ы ю

менее 1 мА при напряжении питания более 2 В, В результате ток потребления не вызывает существенного изменения температуры, которое могло бы повлиять на точность измерения. Кроме того, их частота предпоч- тительно должна быть менее 50 кГц, а время коммутации активного элемента генератора менее 500 не, так что времена заряда конденсаторов получаются относительно большими.

Электрические средства RC-генерато- ров, а также компьютера за исключением активных конденсаторов предпочтительно устанавливаются с одной стороны прибора на печатной плате, которая расположена па- раллельно одному из пластинчатых электродов.

Для избежания диэлектрических возму- щений электрическое соединение другого пластинчатого электрода с электронными средствами предпочтительно осуществляется посредством провода, который без контакта по центру проходит сквозь отклоняющуюся часть и пластинчатый электрод.

На фиг.1 дана функциональная схема устройства, включая электронные средства и индикатор; на фиг.2 - осевой разрез устройства; на фиг.З - вид подвижного элемента устройства; на фиг.4 - вид изоляционной прокладки устройства; на фиг.5 - разрез блока корпусов для двух устройств.

На фиг.1 показан подвижный элемент. Он образует за счет расположения между двумя пластинами электродов 2 и 3 общую составную часть двух расположенных па- раллельно друг другу конденсаторов. Эти конденсаторы находятся в колебательной цепи RC-генераторов 4 и 5, так что их частоты fH, fp определяются величиной их емкости. Эта величина изменяется под действием сил ускорения, которые вызывают изменение положения действующего как маятник подвижного элемента 1 относительно пластин электродов 2 и 3. Таким образом за счет компьютерной оценки в цифровом вычислительном блоке 6 изменения частот fH, fR и за счет соответствующей калибровки можно получить на индикаторе 7 цифровую индикацию полученной величины измерения.

Соответственно цели применения индикатор (дисплей) 7 может быть связан с частью жесткого корпуса 8, показанного на фиг.2, например прибора 9, Прибор 9 может соединяться соединительным проводом 10 с удаленным и находящимся в центральном пункте контроля индикатором 7, для чего особенно удобна передача измеряемой величины в цифровом виде.

Высокая точность, которая возможна за счет цифровой оценки изменений частоты RC-генератЪров, реализуется лишь при устранении мешающих влияний. Предпочтительные формы исполнения изобретения ставят перед собой задачу найти конструктивные мероприятия, которые по возможности полностью устраняют мешающие воздействия в. особенности за счет измене- ний температуры и емкости потерь.

Непосредственно воздействующие на генераторы изменения температуры, напр, от -60 до 70°С, могут быть учтены в компьютере 6, если он добавочно получает частоту fK еще одного RC-генератора с такими же техническими характеристиками. Таким образом можно отличить изменения частоты, вызываемые общими влияниями, напр, изменениями температуры, в RC-генераторах 4 и 5 от изменений частоты, которые вызываются существенным для измерения изменением положения подвижного элемента 1 между пластинами электродов 2 и 3.

Для уменьшения влияния температуры на колебания RC-генераторов 4 и 5 подвижный элемент 1 выполнен из тонкой металли-- ческой пластины, в виде упругой мембраны 12 с толщиной, напр., 0,08 мм, находится в прямом контакте с металлическим корпусом 8 посредством спайки с ним, иона имеет тот же температурный коэффициент расширения LM, что и корпус, или обе детали состоят из одного и того же материала, напр, латуни.

Чтобы далее предотвратить изменение ширины зазора 14 и 15 между подвижным элементом 1 и пластинами электродов 2 и 3 при изменении температуры, этот зазор в отношении L.E-LM/LM меньше, чем зазор, образованный изоляционными прокладками 16 и 17, причем LE соответствует температурному коэффициенту расширения прокладок 16 и 17, a LM - корпуса 8, или же исходя из заданной ширины зазора 14, 15 толщина прокладок 16, 17 вычисляется по этому соотношению. При этом корпус 8 имеет две части 18 и 19 с параллельными внутренними плоскостями 20 и 21, на которых наклеены несущие пластины электродов 2 и 3 прокладки, а круглый внешний край 22 подвижного элемента 1 зажат между параллельными друг другу торцовыми поверхностями чашеобразных выступающих над внутренней поверхностью корпуса 20, 21 и направленными друг против друга частей корпуса 23, 24.

Прочное металлическое соединение с частями корпуса 18, 19 подвижный элемент 1 имеет через радиальные выступы 25 ее внешнего края 22 за счет того, что они входят в окружную канавку 26, и там в этой канавке 26 закрепляются заполняющим ее металлическим припоем на обеих частях корпуса 18, 19,

Чтобы облегчить точную центральную установку упругой мембраной подвижного элемента 1 относительно круглых внутренних поверхностей областей корпуса 23, 24, на окружности указанных торцовых поверхностей частей корпуса 18, 19 предусмотрены три приблизительно параллельных оси канала 27, в которые вставляются направляющие штифты, так что они при накладывании подвижного элемента 1 на эти торцовые поверхности прилегают к круглому внешнему краю 22 отклоняющейся части 1 и направляют ее, После закрепления подвижного элемента 1 .на части корпуса 18, напр, припаиванием в нескольких местах, эти направляющие штифты могут быть снова удалены.

Необходимые с точки зрения точности измерений точно центральные положения круглых пластин электродов 2 и 3 относительно указанных круглых внутренних поверхностей областей корпуса 23, 24 и относительно подвижного элемента могут быть достигнуты различными путями. Например, пластины электродов могут центрироваться самими круглыми поверхностями за счет того, что они сначала имеют диаметр, достающий до этих поверхностей, а после приклеивания к распоркам 16 и 17 посредством режущего инструмента обрабатываются до нужного диаметра. В предпочтительной форме исполнения пластины электродов имеют центральный, напр., цилиндрический выступ 29, который входит в центральное отверстие 30 примыкающей распорки, а последняя согласно фиг.5 имеет выступающую втулку 31, которая входит в центральное отверстие 32 в стенке корпуса с внутренними поверхностями 20, 21 и центрируется там.

Для улучшенной изоляции от внешних емкостей и емкостей потерь распорки 16,17 предпочтительно имеют довольно большие полости 33, так что они поддерживают пластины электродов 2 и 3 на манер несущих ребер над внутренними поверхностями 20 и 21 корпуса,

Подходящая форма в виде колеса со спицами показана на фиг.4.

В предпочтительной форме исполнения прибора, в которой электронные средства 35 укреплены лишь на одной части корпуса 18 и электрическое соединение пластин электродов 2, 3 с ними производится центральным проводом 34, центральное отверстие 30 во втулкообразной центральной

части 35 распорки 16 или 17 служит для прохода провода 34, а также центрального выступа 29, 30 пластинчатых электродов 2 и 3. Проход выступа 29 и провода 34 через 5 отверстие 28 з удаленной от электронных средств 35 части корпуса 19 служит для облегчения пайки соединения 36 между ними, тогда как соосное отверстие 41 в противоположной несущей электронные средства 35

0 части корпуса 18 и отверстие 41 в печатной плате делает возможным центральное электрическое соединение пластинчатого электрода 3 с этими электронными средст5 вами.

Центральное электрическое соединение через центральные отверстия 37-39 в пластинах электродов 2 и 3 и подвижного элемента 1 также существенно способству0 et устранению воздействия внешних емкостей, так как внешний провод, проведенный мимо конденсаторов 4 и 5 или пластинчатых электродов 2 и 3 и подвижного элемента 1, образовал бы паразитную емкость. Кроме

5 того, за счет этого центрального соединительного провода существенно облегчается одна форма исполнения прибора, в которой находящийся в металлическом контакте с массой корпуса 8 металлический кожух 40 экранирует электронные средства 35 от поля электрических помех.

Одностороннее размещение электронных средств 35 на одной из частей 18 корпуса имеет преимущество в том, что

0 противоположная сторона корпуса 8 свободна от этих средств и поэтому имеет массивный выполненный за одно целое опорный блок 42 или 43, на котором нахо5 дится одна (фиг.2) или несколько (фиг.5) опорных плоскостей 44-46 для измерения углов. На опорном блоке 42 или 43 могут находиться также средства крепления,

5 напр, отверстия для винтов 47-50, чтобы стационарно крепить прибор на теле, подлежащем контролю по положению или деформации, напр, элементе конструкции высотного дома, промышленной установки,

0 корабля и т.п.

Фиг.5 показывает пример исполнения опорного блока 43, который для измерения угла в двух взаимоперпендикулярных пло- 5 скостях имеет соответственно размещенные пластины электродов З1 ,3 двух не полностью показанных приборов. Как было описано на примере фиг.2, подвижный элемент 1 находится между двумя торцовыми плоскостями областей корпуса 23, 24 двух частей корпуса 18 и 19. В примере исполнения по фиг.5 внешние поверхности 52 и 53

образуют каждая одну из этих торцовых поверхностей.

Точность измерения далее увеличивается за счет особо мягко пружинящего исполнения подвижного элемента, которое выполняется круглым, причем активная внутренняя часть 13 отделяется от края по меньшей мере тремя выполненными в виде архимедовой спирали на угле боле 360° ленточными плоскими спиралевидными выступами 55-57, причем край 22 закреплен между частями корпуса 18, 19. Эти ленточные спиралевидные выступы выполняются из одного листа с подвижным элементом 1, например, по известной технологии фбто- травления печатных плат, при которой получают несколько соответственно идущих спиральных линий раздела.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения ускорений, содержащее подвижный элемент в виде упругой мембраны, закрепленной по периферии между заземленным корпусом и корпусной деталью, расположенной с зазорами между двумя пластинами электродов, которые установлены в полостях корпуса и корпусной детали и включены в колебательный контур измерительных генераторов, входящих в электронный блок, причем выходы генераторов соединены с цифровым вы- числительным блоком, а пластины электродов соединены проводами с электронным блоком, отличающееся тем, «то, с целью повышения точности измерения, в него введен опорный RC-генератор, а измерительные генераторы выполнены в виде RC-генераторов, причем в центре мембраны и электродов выполнены отверстия, в которых без контакта с его стенками расположен соединительный провод одной из пластин электродов, наиболее удаленной от печатной платы, а выход опорного RC-гене- раторы соединен с цифровым вычислительным блоком.

2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е- е с я тем, что электронный и цифровой блоки расположены на печатной плате, закрепленной на корпусной детали параллельно пластинам конденсатора.

3. Устройство по пп. 1-2, отличающееся тем, что по крайней мере одна из пластин электродов снабжена электропроводным выступом, расположенным на границе с центральным отверстием перпендикулярно плоскости электрода, причем край этого выступа спаян с соединительным проводом.

4. Устройство по пп.1-3, отличающееся тем, что корпус выполнен металлическим, а между пластинами электродов расположены изоляционные прокладки, причем зазор между мембраной и пластиной относится к толщине прокладки как

10

LE-IM LM

где LE - температурный коэффициент расширения изоляционного материала прокладки;

LM - температурный коэффициент рас- ширения материала корпуса.

5. Устройство по п.4, отличающее- с я тем, что изоляционные прокладки имеют выемки или полости.

6. Устройство по пп.4-5, отличаю щ- е е с я тем, что изоляционные прокладки выполнены в виде колес с не менее, чем тремя спицами и центральной втулкой.

7. Устройство по пп.З-б, отличающееся тем, что электропроводящий выступ выполнен в виде трубки, внутри которой расположен электрический соединительный провод, причем трубка охвачена втулкой изоляционной прокладки.

8. Устройство по пп.1-6, отличаю щ- е е с я тем, что на мембране в одной с ней плоскости между ее периферией и центральной отклоняющейся частью выполнены три ленточных плоских спиралевидных выступа с углом спирали более 360°, причем выступы и мембрана выполнены из фольги.

9. Устройство по пп.1-7, отличающееся тем, что в корпусе и корпусной детали в месте крепления мембраны выполнена наружная канавка, а мембрана по внешнему

контуру снабжена радиальными выступами, выходящими за пределы корпуса и корпусной детали и спаянными в области канавки, при этом мембрана, корпус и корпусная деталь выполнены из одного материала или из

материалов с одинаковым температурным коэффициентом расширения.

10. Устройство попп.1-9, отличающееся тем, что оно снабжено защитным кожухом, закрепленным на корпусной детали, а снаружи корпуса выполнена опорная поверхность или/и средства крепления.

11. Устройство по пп.1-9, отличающееся тем, что на двух боковых поверхно- стях корпуса, расположенных под углом 90° друг к другу, выполнены посадочные места, в которых расположены пластины электродов.

Использование: для измерения ускорений, напр, составляющих силы земной тяжести для угловых измерений. Сущность изобретения: в колебательных цепях двух RC-генераторов предусмотрены конденсаторы, которые имеют круглый подвижный элемент между двумя пластинами электродов в общем металлическом корпусе. Для устранения диэлектрических помех электронные средства расположены с одной стороны устройства, закрыты металлическим кожухом и их электрическое соединение с наиболее удаленной пластиной электродов производится посредством провода, который без контакта проведен через центральное отверстие в мембране подвижного .элемента и в ближней пластине электрода. Зазор между подвижным элементом и пластинами электродов остается при неотклоненном подвижном элементе постоянным за счет того, что его величина относительно толщины изолирующих пластин электродов от корпуса прокладок составляет отношение LE-LM/LM. где LE - температурный коэффициент расширения прокладок; LM - то же, для металлического корпуса. 10 з.п. ф- лы, 5 ил.