Устройство для измерения угла наклона Советский патент 1982 года по МПК G01C9/14 E21B47/02 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА НАКЛОНА

1

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике, в частности к маятниковым приборам для измерения углов наклона сооружений или грунта при воздействии возмущений, вызываемых взрывом или землетрясением.

Известны маятниковые приборы на базе вертикального отвеса, в основу которых положена способность маятника всегда занимать вертикальное положение.

Известны также маятниковые приборы, в которых механические перемещения чечевицы маятника преобразуются в электрический сигнал, управляющий индикатором (указателем или самопищущим прибором).

В данных приборах, как правило, применяются три типа преобразователей: магнитные, служащие для подачи сигнала на выключатели в зад,анных углах при пересечении магнита на стержне или чечевице подвижного элемента; фотоэлектрнческие, работающие в паре с закрепленным на маятнике зеркалом; индуктивные, где маятннк используется как подвижный сердечник в дифференциальной схеме.

При нзмеренни углов наклона сооружений в грунте, вызываемых сейсмовзрывиымн

волнами и землетрясением наибольшее применение находят приборы с преобразователями индуктивного типа, так как эти приборы наиболее устойчивы к перегрузкам и обеспечивают достаточную надежность измерений в определенных пределах.

Для измерения углов наклона сооружений или грунта при воздействии возмущений, вызываемых взрывом, пользуются датчиком угла наклона, который содержит корпус, маятник, подвешенный на шарнирной

10 крестовине. На осях крестовины жестко закреплены парные стрелки, несущие на своих концах ферромагнитные сердечники, взаимодействующие с катущками индуктивности преобразователей перемещения в

,5 электрический сигнал. Для обеспечения демпфировання нижняя часть маятника погружена в ванну с жидкостью. Перед измерениями корпус датчика жестко скрепляют с измеряемым объектом 1.

С помощью этого датчика можно измерять наклоны с предельными углами до ±3°, что часто недостаточно по условиям измерений, а при больших углах наклона сердечники преобразователей задевают за внутреннюю поверхность канала катушек

индуктивности. Кроме того, вырабатываемый датчиком сигнал трубет усиления, при этом пропорционально усиливаются помехи, что иногда не дает возможности выделить полезный сигнал из помех.

Наибольшие углы наклона объектов позволяют измерять приборы с фазовращателями, практически такими приборами можно измерять наклоны (развороты) до 360°.

Наиболее близок к предлагаемому по технической сущности прибор, включающий щаговый коммутатор и Датчики с фазовращателями. Фазовращатели подключены к двум модуляторам, каждый из которых соединен с генератором и фазовращателем, а выходы датчиков связаны с щаговым коммутатором через синхронный детектор И.

Известный прибор сложен по конструкции и содержит много электронных элементов, что снижает его надежность и ограничивает применение, особенно, в условиях перегрузок, вызываемых взрывами. В указанном приборе затруднено выделение полезного сигнала от помех, когда их величины соизмеримы, что затрудняет измерения небольщих углов наклона.

Цель изобретения - повышение точности и расщирение диапазона измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в у/стройство, содержащее чувствительный элемент в виде маятника, фазовращатель, генератор опорного напряжения, фазовый детектор, регистрирующий прибор, ротор фазовращателя соединен с осью чувствительного элемента, первый выход опорного генератора соединен со входом фазовращателя, а регистрирующий прибор соединен с выходом фазового детектора, введены первый и второй умножь те:и частоты и фазокомпенсатор, причем аервого умножителя частоты- соединен с выходом фазовращателя, а выход - с первым входом фазового детектора, второй выход опорного генератора соединен с 1тервым входом второго умножителя частоты, выход второго умножителя частоты соединен с выходом фазокомпенсатора, выход которого соединен со вторым входом фазового детектора.

На фиг. 1 изображено устройство, общий вид; на фиг. 2 - вид А на фиг. 1; на фиг. 3 - функциональная схема устройства; на фиг. 4 - схема умножителя; на фиг. 5 - сравнительный график изменения абсолютной ошибки измерений и полосы неопределенности до и после умножения частоты сигнала; на фиг. 6 - сравнительный график относительной ошибки измерений до и после умножения частоты сигнала.

Устройство (фиг. 1) содержит основание 1, на вертикальной стойке которого в подшипнике качения установлен маятник 2. С осью .вращения маятника связан ротор фазовращателя 3 (тип фазовращателя БИФ-14 закрепленного в корпусе 4. Маятниковый узел с фазовращателем закрыт заи итным

кожухом 5, снабженным разъемом 6, к которому подсоединен блок 7 с электронными элементами устройства, на передней панелн которого имеется указательный прибор,

служащий для контроля балансировки схемы, что в исходном состоянии обеспечивает контроль нулевого положения стрелки, а также имеется узел регулирования от фазокомпенсатора 8, посредством которого устанавливается нулевое положение. С блоком 7

связан регистрирующий прибор 9, например осциллограф типа И-117.

С одним выводом фазовращателя 3 связан опорный генератор 10, изготовленный на полупроводниковых триодах типа МП 16Б.

Выход генератора соединен с входом умножителя 11 частоты, выход которого через фазокомпенсатор 12 связан с входом фазового детектора 13. Второй вывел, фазовращателя 3 связан со входом второго умножителя 14 частоты, выход которого также связан со вторым входом детектора 13. Фазовый детектор соединен с регистрирующим устройством 9. Каждый из умножителей частоты выполнен на операционных усилителях 15 типа УТ401Б. В качестве

фильтра применена резонансная система 16, состоящая из двух контуров с индуктивной связью, настроенная на 50 кГц.

Фазовый детектор 13 состоит из двух встречно включенных амплитудных детекторов, на входы которых плдаются сигналы

напряжения с фазовращателя Uo и опорное Ul . Перед. измерениями основание 1 крепится к сооружению или устанавливается в скважине.

При наклоне основания 1 происходит поворот оси маятника, а следовательно, и вращение ротора фазовращателя 3. При этом происходит сдвиг-фаз между опорным ТГ выходным напряжением фазоврашателя. Переменное напряжение с опорного

генератора поступает на умножитель 11 частоты опорного сигнала, а на умножитель J4 частоты измеряемого сигнала оно поступает непосредственно с фазовращателя 3. На них производится умножение сигнала в п раз. С умножителя опорного сигнала

напряжение частотой wtn (cJt - текущее значение частоты) через фазокомпенсирующее устройство 12 поступает на вход фазового детектора 13. С умножителя И частоты напряжение поступает на другой вход

фазового детектора. На фазовом детекторе выделяется постоянное напряжение, пропорциональное разности фаз.

Известно, что разностью фаз двух гармонических колебаний является разность фаз аргументов их синусов, т. е.

Acf(u)t )-()(и/-ь;)1+(То-,)Ро-Т,,-(1)

где cJt - текущее значение частоты;

Гд и «к, - начальные фазы напряжений Uo и U(

При умножении частоты разность фаз, регистрируемая умножителем, равна:

fn(%-%)(2)

В данном случае не учтена разность сдвига фаз YO и У| напряжений умножителей, так как величина ее почти не изменяется со временем и определяется фазочастотнымн характеристиками умножителей. Эта разность сдвнга фаз может быть компенсирована фазокомпенсатором 12.

При преобразованни угла в напряжение на начальном участке характеристики фазового детектора функцию преобразователя можно представить линейной в виде

UBb,x ,(3)

где S величина характеризующая крутизну характеристики фазового детектора;

f -угол сдвига фаз между опорным напряжением и напряжением сигнала.

При этом погрешность является аддитивной, а уравнение преобразования определяется выражением

(ч+Лср ).(4)

Величина Дч представляет собой полосу неопределенности, а ее интервал равен 2Л.

При этом погрешность измерения остается постоянной, не зависящей от величины измеряемого угла для любых величин f . Текущее значение изменения относительной погрешности преобразования gM - обратно пропорционально f и изменяется по гиперболическому закону.

Введение в устройство умножителей частоты позволяет повысить крутизну характеристики путем увеличения разности фаз. Согласно выражению (2) при умножении частоты растет . разность фаз, а следовательно, и , которое зависит от и определяется выражением

ифд 2KaUcos4,(5)

где -напряжение на выходе фазового детектора; Кд - коэффициент детектирования,

учитывающий; RBH приведенные сопротивления

детектора;

Кд сопротивление открытого диода;

Ui амплитуда входного сигна а; «fугол сдвнга между опорным напряжением и напряжением сигнала.

Увеличение крутизны преобразования приводит к уменьшению абсолютной и относительной ошибок измерения.

Из анализа графиков (фиг. 5 и 6) изменения абсолютной и относительной погрешностей в зависимости от крутизны преобразования следует, что абсолютная ошибка измерения уменьшается в4чГ| |,раз вследствие уменьшения зоны неопределенности (награфике фнг. 5, снятом с макета предлагаемого устройства, зона неопределенности изображена в виде заштрихованных полос, полоса I - до умножения частоты, а полоса II - после умножения частоты сигнала в 10,,j. е. , при этом ширина полосы Л J 10 мА).

Из графика, изображенного на фиг. 5, следует, что при угле наклона 21° до умножения частоты сигнала зона неопределенности 2ЛЧ лежит в пределах от 9 до 33,

- а значение 5вых 8 мА, а после умножения . в 10 раз лежит в пределах от 19 до 23, а значение Звыл возрастает до 70 мА, т. е. значительно снижает погрешность измерений и повышается чувствительность устройства. На графике 6 кривая I изображает относительную ошибку до умножения, а кривая II - после умножения частоты сиг нала в 10 раз. Из анализа этого графика видно, что при умножении частоты сигнала погрешность измерений снижается.

При проверке измеряют угол наклона

в пределах ±15°. При этом без умножителей чувствительность составляет 10 мА при наклоне на 1°, а с применением умножителей с п 10 эту же чувствительность 10 мА получают при наклоне равном 6°.

5 Полученные данные и анализ графиков фиг. 5 и фиг. 6 свидетельствуют, что расширение диапазона происходит вследствие возможности измерения меньших углов наклона.

30

Формула изобретения

Устройство для измерения угла наклона, содержащее чувствительный элемент в виде маятника, фазовращатель, генератор

опорного напряжения, фазовый детектор, регистрирующий прибор, причем ротор фазовращателя соединен с осью чувствительного элемента, первый выход опорного генератора соединен с входом фазовращателя, а регистрируюший прибор соединен с выходом фазового детектора, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона измерений, в него введены первый и второй умножители частоты и фазокомпенсатор, причем вход первого умножителя частоты соединен с выходом фазовращателя, а выход первого умножителя частоты соединен с первым входом фазового детектора, второй выход опорного генератора соединен с первым входом второго умножителя частоты, а выход второго умножителя частоты соединен с входом фазокомпенсатора, выход которого соединен с вторым входом фазового детектора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

№ 462019, кл: Е 21 В 47/02 04.03.78 (прототип).

Фиг./