Способ измерения угла наклона и устройство для его осуществления Советский патент 1980 года по МПК G01C9/18 

I . изобретение относится к области .измерительной техники, а именно к способам и устройствам для измерения |углов наклона, иможет быть йспбльзд вано в различных отрасляхnpoMtSimeHности при контроле углов наклона Ьооружений, установок и т. д. . Известны способы измерения углов наклона с помощью пузырьковой ампулы заключак)11циёся в измерении смещения пузырька с последующим преобразованием смещения в электрический сягйсш В известных способах о величине угла наклона судлт по величине электричес кого сопротивления жидкости между из мерительными .электродами либо по величине электрической емкости между подвижной поверхностью жидкости и об кладкаМи, установленными снаружи или внутри ампулы ij. Известные устройства, использующие емкостной или реостатный способ измерения угла накло на, состоят из источника питания, электронного блока, регистрирующего прибора и преобразователя смещения пузырька в электрический сигнал 2j 1 В известных способах на выходной сигнал первичного преобразователя, jcpoMe перемещения пузырька, влияют следующие факторы: в реостатном способе - изменение эффективной площади сопрокосновенйя электродов с наполнителем, форма и материал электродов, взаимное расположение электродов в екжбстном - изменение формы, размеров и. взаимного расположения электродов. ; . Такая мно офакторная зависимость между углом наклона ампулы и измене- нием сопротивления или емкости Kcfeденсатора ;ведет к погрешностям в измерении по указанным способам и требует технологии, дорогостоящих материалов и создания сложной конструкции устройств, реализующих эти способы. Кроме того, уровни этого .вида требуют вспомогательных усилителей и электронных схем преобразования сигнала в форму, удобную для измерения, при этом вносятся, дополнительные погрешности от дрейфа параметров электронных схем. В результате в уров- нях такого типа,несмотря на высокую чувствительность (до 0,) погрешности измерения могут достичь единиц секунд. Известен способ, направленный на устранение указанных недостатков и

являющийся ближайшим.по технической сущности и достигаемому результату. Способ заключается в том, что ампулу помещают в электрическое поле, перпендикулярное оси ампулы, а смещение пузырька компенсируют созданием градиента электрического поля, по которому судят о .величине угла f4 . ;

Устройство для реализации такого способа содержит корпус, цилиндрическую ампулу, заполненную жидкостыб с воздушным пузырьком, управляющие и регулирукидие электроды, между которыми введена обратная , и электронную ухёму преобразования измене ния емкости в изменение напряжения, причем между электронной схемой и управляющими электродами введены последовательно включенные преобразовАтели постоянного напряжения в переMisHHbe высокое и электрические фильтт ры низких частот-.

- в „ .

В таком устройстве электрическое поле однородно в областях между общей и дифференциальными пластинами конденсатора, причем его напряженность

может быть изменена в .из обастей независимо с помощью высокогс; напряжения, подаваемого на дифферен циаль,ные:; пластины с двух независимых преобразователей постоянного напряжёнияв высокое переменное. При наклоне- ампулы пузырек смещается от своё-го ИСХОДНОГО положения, а на него начинает дёйствов-ать сила-, пропорциона- льная. углу наклона. Смещение пузнрька вызывает изменение емкости конденсатора, которое с помощью электронной схемы преобразуется в напряжение и усиливаетсяусилителей мощности. На выходе усилителя мощности происходит перераспределен1 е постоянного напряженйя между преобразойателями напряжения , с выходов которых вьтделёйШё

высокие напряжения подаются на плас-

ТйШ. .конденсаторов. Изме.няя напряженность поля в областях дйфференцйальН| Х. плас.тин конденсатора за счет подачи

на них высокого напряжения, произво

-дят компенсацию силы, дейс вующёй на пузырек с помощью силы, создаваемой действием градиента электрического

поля (пондемоторньий эффект) . В 7 зульта.те напряженность поля йод пластинами дйфференциального конденсато« ,, Ь йёдрвательно, и приложенное к нчм высокое напряжение однб начйо хар4ктёриэуют этот угОл, Величина .угл наклона измеряется по постоянному напряжению с выхода усилите тя,..

мдщностзг линейно с

вйсокимй напряжениями.

,. . .- - ... .-Г...ззанньай способ обеспечивает уменьшение .догрешйости, связанней с созданием одинаковых по разм;ёрам, фОрме, точности расположения дифференциальных пластин конденсатора за Сч:ёт независимого создания величины

электрического поля в областях дифференциальных пластин i

Однако недостатком указанного ;зпособа является то, что согласно техническому решению система из.мере- . ния смещения пузырька должна работать независомо от системы компенсации перемещения и должны они работать на разных частотах. А в этих условиях, затруднено отделение сигнала измерения от высокого компенсирующего напряжёния, приложенного,к тем же электродам и влияющего на сигнал измерения, что приводит к дополнительным погрешностям, пути уменьшения которых приводят к значительному усложнению схемы,нО не устраняют их.

Таким образом, основным источником погрешностей измерения по известному способу являются погрешности электронных схем преобразования, усиления, измерения сигналов и их взаимное влияние.- .

.-,. . .

Целью йастОящего изобретения яв- ляется повышение.: точности измерения .

при одновременном прощении констру кции устройства. ; ; , - -.,.Указанная цель достигается тем, что в известном.способе измерения углов наклонаС :помощыо пуэырьйоэой

ампулы, заключающемся в изме 5енИй смещения пузырька с последующим преобразованием смещения в эйектричес- .;. кИй сиг-нал, ампулу ; помещают в эле-, ктромагнитное поле двухпЬовоДной лиНИИ работающей в режиме стоячей

волйл, иПО изменению коэффициента передачи линии, вызванному смещением

пузырьк.а, судят о величине угла на-клона. ::-,.;... .- . . - .

Указанная цель достизгается таКже тем,, что в изёестном устройстве, содержащем ампулу, заполненную жидкостью с воздушнйм пузырьком, схему преобразовани смещения пузырька в электрический сигнал и регистрируюи(ий.. прибор, схема преобразования смещения

пузырька в электрический сигнал включает в себя генератор высокой частоты,.детектор. Схему .компе нсации, двухпроводну о линию, вход которой соёдиней С .выходом генерат6 равысокой ч.ас.

тоты, а выход через детектор-соедй-вен со схемой компенсаций и регистрирующим прибо р6м. Двухпроводнай линия может быть выполнена в виде пары катушек, распЬложенньгк .параллельно или коакЬиально, или и, виде проводника и одной катушки внутри расположёна пуй1а1 Е ь ковая.аМпула. ДлЙ1за проводников двухпроводной линии, соизмерима с длиной волны электрических

колебаний, поступающих с генераторов, что создает эффект длинной линии и характеризуется тем, что токи в разных сечениях неодинаковы из-за проводимости изоляции отдельных участков, обусловливающих токи утечки и

вледствие емкости между отдельньода участками, обусловливгцощей смещения.

При внесении в электромагнитное no/ie линии 1 акого-либо вещества токи .смещения будут определяться величиной диэлектрической проницаемости этого вещества , в результате происходит изменение коэффициента передачи лиНИИ. При наклоне ампулы воздушный пузырь смещается пропорционально углу наклона и изменяет относительную диэлектрическую проницаемость вдоль пространственно-неоднородного электромагнитного поля линии, что приводит к изменению коэффициента ее передачи.. Зависимость между углом йаклона ампулы и величиной выходного сигнала (коэффициент передачи линии) определяется величиной смещения пузырька стандартной ампулы и граДиен- том электромагнитного поля. Смевдеййе i пузырька от угла наклона ампулы за- ; висит от внутреннего радиуса кривизны и есть величина постоянная для даяной ампулы, а градиент электромагнитного поля определяется р-ежимом работы линий, а именно: расстоянием отрезками линий, частотой выходного напряжения генератора высокой частоты, величиной выходного напряжения генератора высоко частроть. Настройка частоты и в ел HiH ни выходного сигнала, осуществядемая регулировкой одного из переменньцс элементов генератора высокой частоты/ а также установление заданного расстояние между линиями, отличаются ; прост отой операций и исключают необходимость использования узлов и элементов, сложных в технологическом и конструктивном отношении, что по9воляет упростить конструкцию устройств.Работа линии с точки Эрёйия Крутйзеы преобразования угла наклона и коэффициента передачи системы при сохранении относительно низкого импеданса, характерного для линий, наиболее оптимальна на резонг асньи ча-, стотах (режим стоячей волны), которыми обладают линии, выпсшйенные; например, в виде катушке. Это позволйет включать регистрирующий прибор без дополнительных усиличелей а, следовательно, избавиться от дрейфа Дбполнительного усилителя и упростить прибор. Работа линии происходит на одной из резонансных частот, выбранной из условия получения необходимого кёличества стоячих волн вдоль линии, определяющих крутизну преобразования yirna наклона в коэффициент передачи системы.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства; на фиг. 2, 3, 4 изображены возможные варианты конструктивного исполнения двухпроводной линии.

Устройство содержит гене1)атор вы сокой частоты 1, линий 2, 3, пузырьковую ампулу 4, диодный выпрямитель 5, регистрирующий прибор 6, нагрузочные резисторы 7, 8, компенсационную схему 9..

Работа устройства происходит еледующим образом. Напряжение с выхода генератора высокой частоты 1 подаетс на вход линий 2, 3 и схемы компенсации 9. С выхода линий 2, 3 через детектор 5 напряжение подается -на резисторы 7,8, на которые также подается напряжение с выхода схемы компенсации 9. Регистрирующий прибор 6 включен таким образом, что измеряет разностное напряжение на нагрузочных резисторах 7, 8. В исходном положени угол наклона ампулы 5 равен нулю и разностное напряжение ра резисторах 7, 8 также равно нулю, при этом воздушный пузырек находится на участке линий 2, 3. с прямолинейным преобразованием перемещения пузырька в напряжение на вьюсоде линий 2, 3. При наклоне ампуль аа угол к линии горизонта пузырек смещается и.изменяет диэлектрическую проницаемость вдоль Линий 2, 3, соотве1гственно и напряжение на йЫходе линий, что приводит к появлению нагфяжейия разбаланса на резисторах 7, 8, воспринимаемого регистрирующим прибором 6, отградуироранным в yrjioswi еДийидах.

Введение в схему преобразования (ймеЦёния nsTBijpbka в электрический сигнал сХеМы :kcяvlйeiйeM и 1оз воляет иэ бежа: 1Е иэмейёй.ия й;Ь саааний реги- стрируюЩего прибора б при нестабильности амплитудй Bjcbftjioro сйгйала теHepaToiba 1, а ifaKjjte других .параметро ие Свйзанйых с йеремещёйиём пузырьka S ампуле...-,-.- .-, .- - ;- /

изменение смирения пузырька, характеризующее угбл наклона, приводит К изменению услЬвиЙ стоячих, волн пер видного йрёобразозвазгеля, которым является йскусртвёйНаЛ длййная линия. Это приводит к большому изменению коэффигциента передачи лийии, что обеспёчив ёт вйсокую чувствительность и точность измерёйия при упрощении измерительной cxeNM./

Использовайие линий п ередачи совместно со стандартной пузырьковой ампулрй для измерения углов наклона позволяет значительно упростить конструкцию электронных уровней.

Формула изобретения

. 1. Способ измерения углов наклона 60 с помощью пузырьковой ампулы, заключающийся и измерении смещения пузырька с последующим преобразованием смещения в электрический сигнал, о т л и ч а. ю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности измерения при.

(

.,;.i1.

41 f

одновременном упрощении конструкции устройства, амйулу помещают в электромагнитное поле двухпроводной линии работающей в режиме стоячей волны, и по изменению коэффициента передачи линии, вызванному смещением пузырька судят о величине угла наклона.

2. Устройство для измерения углов на:клона по п. 1, содержащее ампулу, заполненную жидкостью с воздушньм пузырьком, схему преобразования смеще1шя пузырька в электрический сигЙал и регистрирующий прибор, о т |1 и ч а ю 14 е е с я т:ем, что схема {треобразования смещения 1узырька в электрический сигнал включает в себя (енератор высокой частоты, детектор, компенсации, двухпроводную лийй1б, вход которой соединен с выходбь/ Генератора высокой частоты, а выход ({ерез детектор соединен со схемой компенсации и регистрирующим прибО ром.

. t

8

779805

3.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что двухпроводная линия выполнена в виде пары катушек , расположенных параллельно или коаксиально, или в виде проводника

и катушки, внутри которой расположена ампула.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Бычков О.Д. Уровни и мйкронивелиры и их применение для геодезической выверки конструкций. М.,НедpaU 1973, с. 40-49.

2.Патент США 3096596, кл. 33-205, опублик. 1966,

3. Патент США № 3299523, кл. 33-205 опублик 1967.

I 3. Авторское свидетельство СССР - 478181, кл. G 01 В 7/30, 1973 (прртотип), . .

4. Явторское свидетельство СССР

0 512373, кл. G 01 С 9/18, 1973 (hpoтотип). ,