Способ измерения углов отклонения заданного направления от вертикали и поперечных ускорений посредством гидродинамических гироскопов, способ подвеса чувствительного элемента гидродинамического гироскопа с аксиальным смещением центра масс и способ определения его плавучести

Способ измерения углов отклонения заданного направления от вертикали и поперечных ускорений посредством гидродинамических гироскопов, способ подвеса чувствительного элемента гидродинамического гироскопа с аксиальным смещением центра масс и способ определения его плавучести

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Данное техническое решение относится к области гироскопической техники и может быть использовано для подвеса сферического поплавка с аксиальным смещением центра масс в сферической камере гидродинамического гироскопа (ГДГ), используемого в качестве измерителя углов отклонения заданного направления от вертикали и поперечных ускорений.

На фиг.1 представлена конструктивная схема гироскопа со сферическим гидродинамическим подвесом сферического чувствительного элемента-поплавка (шарового ротора).

Известный гидродинамический гироскоп (ГДГ) показан в [1, стр. 7]. При этом реально существующая конструктивная схема гидродинамического гироскопа показана на фиг.1. ГДГ представляет собой вращающуюся в подшипниках качения сферическую камеру 1, частично заполненную жидкостью (не показана) и помещенный в нее сферический поплавок 2 (ЧЭ). Механическое устройство предварительного центрирования поплавка 2 относительно камеры 1, выполненное в виде шарика 3, закрепленного в центре поплавка 2, и упоров 4, установленных в торцах сферической камеры 1 [1]. Система съема сигнала (датчик угла) ГДГ представляет собой постоянный магнит 5 (ротор), закрепленный в диаметральной плоскости поплавка 2, и кольцевую сигнальную катушку 6 (статор), закрепленную в корпусе прибора. Ось катушки при сборке ГДГ устанавливают соосно с осью вращения камеры 1 и поплавка 2. Для разделения сигналов между измерительными осями служат две обмотки опорных напряжений, закрепленных на каркасе сигнальной системы и смещенных друг относительно друга на угол 90 градусов.

Задача технического решения состоит в расширении области применения гидродинамического гироскопа со сферическим подвесом сферического чувствительного элемента (ЧЭ, поплавка) за счет более эффективного использования измерительных свойств сферического гидродинамического подвеса.

Техническое решение «Способ подвеса чувствительного элемента гидродинамического гироскопа с аксиальным смещением центра масс»

Из математической модели ГДГ [1] известна область применения такого прибора в качестве двухкоординатного датчика угловых перемещений для динамичных движущихся объектов. При этом для обеспечения заданной точности ГДГ осуществляют тщательную балансировку сферического ЧЭ. Эта операция совмещения центра масс поплавка и его геометрического центра позволяет минимизировать отклоняющий поплавок момент при действии ускорений, перпендикулярных оси собственного вращения ГДГ. Этот минимизированный при балансировке момент повышает достоверность определения угловых перемещений основания, где установлен прибор, относительно его осей чувствительности, перпендикулярных оси собственного вращения подвеса (поплавковой камеры).

Из [1, глава 6] известен способ подвеса ЧЭ ГДГ, включающий частичное заполнение камеры подвеса поплавка жидкостью, обеспечивающей его аксиальную нейтральную плавучесть, и собственное вращение подвеса (прототип способа подвеса ЧЭ ГДГ).

Недостатком прототипа является отсутствие рекомендаций для реализации подвеса ЧЭ ГДГ с аксиальным смещением центра масс поплавка относительно его геометрического центра. А именно это смещение центра масс относительно геометрического центра поплавка дает возможность повысить «чувствительность» подвеса поплавка к действию ускорений, перпендикулярных оси его собственного вращения. Это необходимо для применения ГДГ по новому для него назначению - измерение углов отклонения заданного направления от вертикали и ускорений, перпендикулярных оси собственного вращения гидродинамического подвеса (ГДП) сферического поплавка. Кроме этого, при реализации ГДП поплавка со смещенным центром масс необходимо контролировать (определять) его плавучесть. Ранее такая задача не ставилась для ГДГ, и поэтому решение ее также отсутствует.

Частная задача 1 технического решения - это реализация подвеса ЧЭ ГДГ с аксиальным смещением центра масс. Здесь под термином «подвес» понимается не только непосредственное «взвешивание» (радиальное и аксиальное центрирование) поплавка в жидкости, а и реализация подвеса его относительно измерительных осей сигнальной системы и определение масштабного коэффициента, умножение на который выходного сигнала ГДГ позволит непосредственно определить искомые параметры (угол между заданным направлением и вертикалью и ускорений, перпендикулярных оси собственного вращения подвеса ЧЭ ГДГ).

Кроме этого, частная задача 1.1 - это определение плавучести ЧЭ ГДГ со смещенным центром масс относительно его геометрического центра.

Задача решается так, что способ подвеса чувствительного элемента гидродинамического гироскопа с аксиальным смещением центра масс, включающий частичное заполнение камеры подвеса поплавка жидкостью, обеспечивающее его аксиальную нейтральную плавучесть, и собственное вращение подвеса, отличающийся тем, что осуществляют предварительную регулировку системы съема сигнала так, что кольцевую сигнальную катушку системы съема сигнала путем последовательных поворотов вокруг осей чувствительности подвеса устанавливают в положение, когда ее электрическая ось совмещена с осью собственного вращения поплавка, а на выходе гироскопа получено выходное напряжение Uo, менее заданной величины, в случае, если выходное напряжение превышает наперед заданную величину, изменяют направление собственного вращения и определяют выходное напряжение U1 гироскопа, по величине которого отбраковывают поплавки с повышенным радиальным смещением центра масс относительно его геометрического центра, минимизируют перекрестные связи между измерительными каналами подвеса поплавка гироскопа, осуществляют аксиальное смещение центра масс поплавка, контролируют плавучесть поплавка и корректируют количество жидкости во внутренней полости подвеса поплавка, окончательно регулируют систему съема сигнала гироскопа при вертикальном расположении оси собственного вращения до получения на его выходе минимального выходного напряжения Uo. Минимизируют перекрестные связи между измерительными каналами таким образом, что вращают подвес вокруг одной из осей чувствительности и определяют при этом по сдвигу фаз выходного напряжения относительно одного из опорных напряжений коэффициент перекрестных связей между измерительными каналами гироскопа при определенном положении полусферических чашек поплавковой камеры, затем меняют взаимное расположение чашек поплавковой камеры путем изменения радиального зазора в аксиальном направлении и определяют повторно коэффициент перекрестной связи, находят, помечают положение чашек камеры, где минимизируется по абсолютной величине коэффициент перекрестной связи, и фиксируют в этом положении полусферические чашки поплавковой камеры после аксиального смещения центра масс поплавка. Осуществляют аксиальное смещение центра масс поплавка таким образом, что перед непосредственным смещением центра масс удаляют жидкость из камеры и извлекают из нее поплавок, замечают при этом фактическое положение поплавка относительно полусферических чашек камеры, на одном из торцев осевого отверстия поплавка удаляют массу m₃, а на другом его торце размещают такую же массу m₄, при этом суммарную величину m₃+m₄ выбирают из соотношения:

m₃+m₄≤(bω/2g) (R_o-R_уп)/(R₂ ²-R_o ²), (M)

- для случая смещения центра масс ЧЭ ГДГ при определении только углов отклонения заданного направления от вертикали;

- для случая смещения центра масс ЧЭ ГДГ при определении углов

отклонения заданного направления от вертикали и поперечных ускорений;

где b - коэффициент сил вязкого трения поплавка о жидкость;

ω - угловая скорость собственного вращения подвеса поплавка гидродинамического гироскопа; g - ускорение силы тяжести;

R₂, R_o, R_уп - радиусы поплавка, отверстия в нем и упора камеры;

А0 = {2γ_о ²- (R_o-R_уп)² / (R₂ ² - Ro²)};

A1={2γ_oW/g}; A2=2(W/g)², при

где γ_o - наибольший угол отклонения заданного направления от вертикали, W - максимальная величина поперечных ускорений перемещения основания.

затем помещают поплавок снова в поплавковую камеру с учетом помеченного в момент разборки камеры взаимного положения поплавка относительно чашек и взаимного положения чашек друг относительно друга, повторно заполняют поплавковую камеру жидкостью объемом, который обеспечивает аксиальную плавучесть поплавка, близкую к нейтральной. Корректируют количество жидкости во внутренней полости подвеса до минимизации по абсолютной величине скорости изменения выходного сигнала гироскопа.

Задача решается так, что способ определения плавучести чувствительного элемента гидродинамического гироскопа с аксиальным центром масс, включающий частичное заполнение камеры подвеса поплавка жидкостью, обеспечивающее аксиальную плавучесть чувствительного элемента гироскопа, близкую к нейтральной, и собственное вращение подвеса, отличается тем, что компенсируют постоянную составляющую выходного сигнала, обусловленную аксиальным смещением центра масс поплавка, определяют величину скорости изменения разбалансировки системы жидкое тело - поплавок таким образом, что центрируют поплавок относительно камеры и определяют скорость изменения выходного сигнала U* с подвеса чувствительного элемента гироскопа, ось собственного вращения которого наклонена к плоскости горизонта под углом 45°±15° так, что определяют приращение выходного напряжения ΔU гироскопа за фиксированный промежуток времени Δt и вычисляют ее по формуле: U*=ΔU/Δt, судят о плавучести поплавка по величине скорости изменения выходного сигнала с подвеса поплавка гироскопа.

Задача решается так, что способ определения плавучести чувствительного элемента гидродинамического гироскопа с аксиальным центром масс, по п.8, отличающийся тем, что компенсируют постоянную составляющую выходного сигнала, обусловленную аксиальным смещением центра масс поплавка, для чего вычитают из выходного напряжения компенсационный сигнал, который формируют из пары опорных напряжений системы съема сигнала путем суммирования их и согласования суммарного напряжения по фазе и по амплитуде с выходным сигналом гироскопа, определенным сразу после центрирования поплавка относительно камеры.

Новизна данной части технического решения состоит в том, что предложено дополнительно осуществлять смещение центра масс вдоль оси собственного вращения, окончательное регулирование системы съема сигнала при вертикальном расположении оси собственного вращения, а также проведение калибровки ГДГ, как измерителя углов отклонения заданного направления от вертикали.

Кроме этого, предложена конкретная методика по реализации операции аксиального смещения центра масс поплавка относительно его геометрического центра, позволяющая обеспечить отклонение поплавка относительно камеры на углы, не превышающие допускаемых аксиальным отверстием поплавка. То есть реализованное соотношением (М) и (ММ) смещение центра масс поплавка исключает возможность возникновения механического контакта поверхности его осевого отверстия и упоров, установленных в торцах поплавковой камеры. Дополнительно указано место нахождения новых операций (из отличительной части существенных признаков) технического решения в общей последовательности операций способа подвеса ЧЭ ГДГ. Рассмотрена достаточно подробно каждая из основных операций технического решения для осуществления способа подвеса ЧЭ ГДГ со смещенным центром масс его поплавка вдоль оси собственного вращения.

Дополнительно разработан способ оценки плавучести ЧЭ ГДГ со смещенным центром масс. Решение этой задачи потребовалось в связи с тем, что величина выходного сигнала гироскопа со смещенным центром масс ЧЭ и наклоненной осью собственного вращения к плоскости горизонта значительно превышает величины изменения его выходного сигнала, обусловленного остаточной не нулевой плавучестью поплавка. Данная не нулевая плавучесть ЧЭ ГДГ может образоваться после проведения регулировки перекрестных связей между его измерительными каналами и после смещения центра масс из-за не точности уравнивания удаляемой m₃ и дополнительно размещаемой m₄ масс поплавка.

На фиг.2 представлен вариант простейшей схемы, которую можно использовать для формирования компенсационного сигнала ГДГ при определении плавучести его ЧЭ со смещенным центром масс. На фиг.З показан ГДГ при регулировании системы съема сигнала и проведении его калибровки как измерителя углов отклонения заданного направления от вертикали.

На фиг.4 показан ГДГ в стволе скважины при определении угла наклона этой скважины к вертикали. При этом такое же положение ГДГ может занимать при жестком креплении его во внутренней полости бурового инструмента во время проведения направленного наклонного бурения.

Обоснование предложенного технического решения.

Рассмотрим получение инженерного соотношения (М) для расчета удаляемой и дополнительно размещаемой масс на поплавке ГДГ. Выпишем из [1 стр. 99] соотношение для расчета угла отклонения ЧЭ ГДГ со смещенным центром масс на расстояние d в осевом направлении относительно геометрического центра. Учтем предварительно полученную нулевую аксиальную плавучесть поплавка (Δm=0) ГДГ, находящегося только в поле ускорения силы тяжести g: α₂=m₂dg/b₂ω+m₂dg/b₁ω), где m₂ - масса поплавка, b₁, b₂ -коэффициенты сил вязкого трения камеры и поплавка о жидкость [1, стр.99], причем b₁≅b₂ (при малом радиальном зазоре δ≪R₁,R₂ между поплавком, радиус которого R₂, и камерой, радиус которой R: R₁≅R₂). С учетом этого угол отклонения поплавка можно оценить по формуле:

α₂= 2m₂ d g / b₂ω, (1)

При получении соотношения (1), как и в книге [1] предполагается, что ось собственного вращения подвеса поплавка ГДГ горизонтальна. В этом положении, когда отклонение от вертикали оси собственного вращения ЧЭ ГДГ максимально, т.е. составляет 90 градусов, поплавок также отклонятся на наибольший фактический угол α₂.

Учтем далее, что для смещения центра масс используется не вся масса поплавка m₂, а только суммарная масса грузов m₃+m₄, тогда соотношение (1) приобретает вид:

С целью минимизации изменения общей массы поплавка предлагается размещать и удалять эти грузы с минимальной по величине массой. При этом для получения достаточного по величине отклонения поплавка относительно системы съема сигнала ГДГ из-за аксиального смещения центра масс предлагается размещать и удалять грузы на максимально возможном удалении от центра поплавка. Так как предложено удалять и размещать эти массы m₃, m₄ на торцах аксиального отверстия в поплавке, то d=(R₂ ²-R_o ²)^1/2, где R_o - радиус его осевого отверстия.

Введем в рассмотрение параметр подвеса ЧЭ ГДГ, определяющий момент возникновения механического контакта упоров, установленных в торцах поплавковой камеры, и поверхности осевого отверстия поплавка:

где R_уп - радиус упора устройства механического центрирования поплавка; (α₂, β₂)^max - максимально возможные углы отклонения поплавка ГДГ относительно камеры и системы съема сигнала.

Соотношение (3) строго получено в [4]. Полагая для простоты, что поплавок отклоняется только относительно одной из осей чувствительности ГДГ, т.е. что β₂ ^max=0, приходим к следующей формуле:

Учтем далее, что упоры устройства предварительного центрирования поплавка, установленные в торцах поплавковой камеры ГДГ, не должны касаться поверхности его осевого отверстия во время измерений углов отклонения заданного направления от вертикали. Это означает, что максимальный возможный угол отклонения поплавка при проведении измерений должен быть не меньше наибольшего фактического, т.е. (α₂)^max≥α₂. Подставляя в это неравенство формулы (3*) и (2), окончательно получаем: m₃+m₄≤(bω/2g)(R_o-R_уп)/(R₂ ²-R_o ²), (М)

В соотношении (М) используется обозначение коэффициента, момента силы вязкого трения поплавка о жидкость b≡b₂.

Обоснование соотношения (ММ) содержится в «Обосновании...» технического решения «Способ измерения углов отклонения заданного направления от вертикали и поперечных ускорений»

Далее определим связь плавучести (Δm) ЧЭ ГДГ и изменения во времени разбалансировки системы жидкое тело - поплавок при перемещении его вдоль оси собственного вращения со скоростью е* (е - смещение поплавка относительно камеры в поле силы тяжести), когда ось вращения подвеса наклонена к плоскости горизонта под углом 45 градусов.

В упомянутой книге [1, стр.99] получено соотношение для приращения угла между осями поплавка и камеры, обусловленного разбалансировкой системы жидкое тело - поплавок. Когда отсутствует смещение центра масс (т.е. d=0 или m₃=m₄=0) и ускоренное перемещение подвеса отсутствует (W1×1=0), это приращение может быть оценено по формуле: α₂=Δm g е/bω, где b - коэффициент сил вязкого трения камеры (или поплавка, т.к. b₁≈b₂=b) о жидкость, ω - скорость вращения подвеса поплавка, g - ускорение силы тяжести. Вводя в рассмотрение коэффициент передачи датчика угла Ксс системы съема сигнала с учетом угла наклона (α=45)° оси собственного вращения подвеса ЧЭ ГДГ, приращение выходного напряжения прибора будет равно: .

Дифференцируя по времени это соотношение, получим:

U*=k е*, (5)

где k=Δm g cosα/bω.

Далее учтем, что в поле силы тяжести ([1, стр. 91] z*=e*) скорость е* аксиального перемещения поплавка в рассматриваемом случае может быть определена по формуле (при W_1z1=gsinα):

где Kμ, и Кρ - коэффициенты вязкого и гидродинамического демпфирования аксиальных движений поплавка ГДГ (выражения для их расчета также имеются в [1, стр. 95].

Подставляя (6) в (5), находим связь плавучести Δm поплавка ГДГ и скорости U* изменения выходного напряжения:

Таким образом, получено, что скорость изменения выходного напряжения ГДГ пропорциональна квадрату плавучести его ЧЭ. Из [1, стр.91] также известно, что коэффициенты инерционного гидродинамического и вязкого демпфирования связаны соотношением: К_μ≪К_ρ, причем коэффициент К_ρ пропорционален ω², поэтому при пониженной угловой скорости собственного вращения в 1,5-2 раза коэффициент пропорциональности между U* и (Δm)² будет в (1,5-2) раза больше. Пониженная скорость собственного вращения подвеса упрощает выявление U* и может быть определена при помощи обычного стрелочного вольтметра.

Обоснуем далее выбор количества жидкости, которое нужно добавить в поплавковую камеру, для получения нулевой плавучести ЧЭ ГДГ с учетом определенной скорости изменения выходного сигнала с подвеса ЧЭ ГДГ после выполнения регулировки коэффициента перекрестных связей и смещения центра масс поплавка ГДГ.

Так в [1, стр. 94] записана формула для расчета массы вытесненной поплавком жидкости, откуда следует, что объем вытесненной поплавком жидкости можно вычислить в соответствии с соотношением:

Vп=(4π/3)(R2²-R3²)^3/2, где R2 - радиус сферического поплавка. В случае, если радиус сферы будет равен R1-радиусу камеры, тогда

Vк=(4π/3)(R1²-R3²)^3/2, здесь R3-радиус свободной поверхности, характеризующий частичное заполнение подвеса жидкостью. Составляя разность Vк-Vп, находим объем жидкости, который необходимо залить в сферическую часть подвеса поплавка:

Vк-Vп=(4π/3)((R1²-R3²)^3/2-(R2²-R3²)^3/2). Вводя в рассмотрение торцевые полости (камеры) стабилизации плавучести цилиндрической формы (на фиг.1 не показаны), находим верхнюю границу количества заливаемой жидкости:

R3=R2 sinθ1 - радиус свободной поверхности жидкости цилиндрической формы в торцевых частях подвеса ЧЭ ГДГ; θ1=arccos ((1/R₂)(3m₂/4πρ)^1/3); π=3.14; m₂ - масса поплавка; ρ - плотность рабочей жидкости; R4, Н - радиус и ширина цилиндрических камер стабилизации плавучести.

Учтем далее, что после всех операций, изменяющих радиальный зазор подвеса и массу поплавка ГДГ, фактический радиус свободной поверхности изменится (в самом общем случае увеличится или уменьшится): R3→R5, причем |R3-R5|≪R3. Заменяя в (8) радиус свободной поверхности R3 на R5, находим нижнюю границу для объема залитой в подвес жидкости:

R5=(1,1-1,2) R3<R6 - расстояние от оси вращения поплавковой камеры до оси соединительных каналов цилиндрических камер стабилизации плавучести.

Для обеспечения выполнения закона Архимеда радиус свободной поверхности R3 выбирают из условия выполнения равенства массы поплавка m₂ и вытесненной им жидкости. Выполнение этого закона отражает соотношение для вычисления угла-параметра θ1 (далее его будем называть «углом свободной поверхности жидкости»). Объединяя (9) и (8), находим соотношение для оценки объема залитой жидкости в подвесе: V1<V≤V2 (10)

Здесь выполнено главное условие, что при заполнении камеры подвеса поплавка жидкостью и последующих регулировках ГДГ нужно обязательно не нарушить «связь» между сферической камерой и торцевыми камерами стабилизации плавучести ЧЭ ГДГ. При этом не исключается возможность заполнения подвеса и номинальным количеством жидкости V2 (на это указывает знак нестрогого неравенства в правой части (10): ≤). Только в этом случае последующая настройка подвеса будет более трудоемкой, так как потребуется как доливка, так и удаление излишков жидкости ΔV после регулировки коэффициента упругой связи между измерительными каналами ГДГ и смещения центра масс его ЧЭ.

Для реализации высокоточной заливки важно знать связь между плавучестью ЧЭ ГДГ и количеством доливаемой жидкости. Покажем эту связь. Для этого составим разность ΔV=V2-V1:

ΔV=(4/3)π((R1²-R3²)^3/2-(R2²-R3²))^3/2-(4/3)π((R1²-R5²)^3/2-(R2²-R5²))^3/2)+2π(R4²-R3²)H-2π(R4²-R5²)H;

Введем в рассмотрение угол θ1 (см. [1, стр. 93]) и приращение Δθ1 угла свободной поверхности жидкости, характеризующие частичное заполнение камеры подвеса поплавка и изменение радиуса R3, соответственно, причем

Δθ1≪θ1 (sinθ1=R3/R2).

Учтем далее, что

(R1²-R3²)^3/2=((R1)cosθ1)³; (R2²-R3²)^3/2=((R2)cosθ1)³;

(R1²-R5²)^3/2=((R1)cos(θ1+Δθ1))³; (R2²-R5²)^3/2 =((R2)cos(θ1+Δθ1))³;

R5²=((R2)sin(θ1+Δθ1))²; R3²=((R2)sin(θ1))²,

а также, что известные формулы тригонометрии при Δθ1≪θ1 преобразуются следующим образом:

cos(θ₁+Δθ₁)=cosθ₁-sinθ1·Δθ1; sin(θ1+Δθ1)=sinθ1+cosθ1·Δθ₁.

Тогда выражение для приращения ΔV, примет вид:

где δ=R1-R2 - радиальный зазор между камерой и поплавком.

Таким образом, получено, что с учетом малости Δθ1 по сравнению с θ1, объем доливаемой жидкости ΔV пропорционален приращению угла свободной поверхности жидкости Δθ1.

С учетом введенного угла свободной поверхности жидкости θ1 формула для расчета массы вытесненной поплавком жидкости m_вж=(4π/3)ρ(R2²-R3²)^3/2, выписанная из [2, стр. 94], приобретает вид: m_вж=(4π/3)ρ(R2)³cos³θ1.

Рассмотрим далее связь изменения угла свободной поверхности Δθ1 и изменения (приращения) массы вытесненной поплавком жидкости. То есть определим плавучесть ЧЭ ГДГ: Δm=m_вж-m₂ при изменении вытесняемой поплавком массе жидкости m_вж:

Отсюда находим, что ΔV=K·Δm, где

В результате этих рассуждений получен значимый инженерный результат: изменение плавучести поплавка пропорционально изменению количества жидкости в поплавковой камере при принятых допущениях, которые имеют место на практике. С учетом выражений (13) и (7) можно выбрать посредством предварительного расчета с последующим уточнением опытным путем количество жидкости, которое нужно добавить (или удалить) из внутренней полости подвеса ЧЭ ГДГ, чтобы восстановить нулевую плавучесть поплавка после всех проведенных операций с его гидродинамическим подвесом с использованием измеренной скорости U*.

Угол наклона α оси собственного вращения подвеса поплавка ГДГ к плоскости горизонта выбран исходя из обеспечения максимальной скорости изменения выходного напряжения ГДГ. Дифференцируя (7) по углу α:

(Kcc(Δmg)²cosαsinα/bω(Kμ+Kρ))*=(Kcc(Δmg)²соs2α/bω(Кμ+Кρ),

и приравнивая полученный результат к нулю: В cos2α=0,

где B=Kcc(Δmg)²/bω(Кμ+Кρ), находим оптимальный угол наклона оси собственного вращения к плоскости горизонта: α=45°. Далее определив вторую производную (7) по углу и подставив в нее α=45°, можно убедиться, что в этом случае скорость изменения выходного сигнала ГДГ будет наибольшей. Отсюда и назначены пределы изменения угла наклона оси собственного вращения к плоскости горизонта: α=(45±15)°.

Способ подвеса чувствительного элемента гидродинамического гироскопа с аксиальным смещением центра масс (для измерения углов отклонения от вертикали заданного направления и, в случае необходимости, измерения поперечных ускорений) реализуется следующим образом.

Частично заполняют камеру подвеса поплавка жидкостью, обеспечивая при этом аксиальную нейтральную плавучесть чувствительного элемента гироскопа. Выполнение данной операции сводится к заливке подвеса жидкостью частично строго определенного объема, выбранного из условия обеспечения равенства массы поплавка и вытесненной им жидкости в аксиальном направлении. (см. формулу (10) из обоснования к данной части технического решения).

Осуществляют собственное вращение подвеса с номинальной угловой скоростью. При выполнении этой операции подают номинальное напряжение питания на электродвигатель привода подвеса (на фиг.1 не показан).

Осуществляют предварительную регулировку системы съема сигнала и отбраковку поплавков по величине радиального смещения центра масс относительно его геометрического центра.

Регулируют систему съема сигнала таким образом, что кольцевую сигнальную катушку системы съема сигнала путем последовательных поворотов вокруг осей чувствительности подвеса устанавливают в положение, когда ее электрическая ось совмещена с осью собственного вращения поплавка, а на выходе гироскопа получено выходное напряжение Uo, менее заданной величины в отсутствие входных угловых воздействий.

Данную операцию можно выполнять как при вертикальной оси собственного вращения подвеса, так и при горизонтальной его оси собственного вращения. Только при горизонтальной оси собственного вращения подвеса желательно предварительно центрировать поплавок относительно камеры. Центрирование поплавка относительно камеры осуществляют посредством последовательного ее разгона до угловых скоростей, превышающих номинальную в 1,5-2 раза с последующим ее торможением до номинальной угловой скорости собственного вращения. Обоснование способа центрирования можно найти в [7]. Предварительная регулировка системы съема сигнала считается законченной, если удалось получить на выходе ГДГ напряжение, менее заданного.

Однако в некоторых случаях установить такое выходное напряжение не удается. Причина этого явления состоит в том, что, использованный при этом поплавок имеет недопустимо значительное радиальное смещение центра масс относительно его геометрического центра. Для подтверждения этой причины изменяют направление собственного вращение подвеса и определяют при этом выходное напряжение U1 гироскопа. Этот параметр ГДП пропорционален радиальному смещению центра масс ЧЭ ГДГ. В связи с этим по его величине судят о повышенном радиальном смещении центра масс поплавка. Такие поплавки и отбраковывают. Именно для этого и проводится предварительная регулировка (настройка) системы съема сигнала ГДГ.

Минимизируют перекрестные связи между измерительными каналами ГДГ, поплавок, которого еще не имеет аксиального смещения центра масс относительно его геометрического центра. Эту операцию выполняют так.

Вращают подвес вокруг одной из осей чувствительности и определяют при этом по сдвигу фаз выходного напряжения относительно одного из опорных напряжений коэффициент перекрестных связей между измерительными каналами гироскопа при определенном положении полусферических чашек поплавковой камеры.

Затем меняют взаимное расположение чашек поплавковой камеры таким образом, что изменяют радиальный зазор в аксиальном направлении и определяют повторно коэффициент перекрестной связи.

В заключение находят и помечают (например, риской или краской на внешней цилиндрической поверхности) положение чашек камеры, где минимизируется по абсолютной величине коэффициент перекрестной связи всей взаимодействующей совокупности элементов подвеса, и фиксируют в этом положении полусферические чашки поплавковой камеры (после смещения центра масс поплавка). Взаимодействующими элементами подвеса ЧЭ при формировании перекрестных связей ГДГ являются: сам поплавок, поплавковая камера и сигнальная катушка системы съема сигнала гироскопа.

Далее следует основная операция, отличающая настройку подвеса ЧЭ ГДГ, для последующего измерения углов отклонения заданного направления от вертикали или ускорений, перпендикулярных его оси собственного вращения.

Осуществляют смещение центра масс поплавка в аксиальном направлении.

При выполнении этой операции удаляют жидкость и извлекают поплавок из камеры. При этом разъединяют полусферические чашки поплавковой камеры с нанесенными на ее внешней поверхности отметками.

Помечают фактическое взаимное расположение поплавка относительно полусферических чашек (например, также наносят отметку смываемой краской определенного цвета на полусферической поверхности поплавка и соответствующей ей поверхности чашки).Это необходимо для последующего воспроизведения (восстановления) взаимного положения поплавка относительно полусферических чашек, чтобы сохранить величину минимизированного коэффициента перекрестных связей между измерительными каналами после аксиального смещения центра масс.

На одном из торцов осевого отверстия поплавка удаляют массу m₃ (см. фиг.1). Например, удаляют одно из торцевых балансировочных колец поплавка (для реально существующей конструкции массой около 2-3 г.)

На другом его торце размещают дополнительно такую же массу m₄. Например, устанавливают вместо такого же балансировочного кольца, кольцо в два раза большей массы. При этом массу увеличивают за счет увеличения размеров кольца и применения металла большей плотности (например, из свинца). При этом суммарную величину m₃+m₄ выбирают из соотношения:

m₃+m₄≤(bω/2g) (R_o-R_уп)/(R₂ ²-R_o ²), (М)

- для случая смещения центра масс ЧЭ ГДГ при определении только углов отклонения заданного направления от вертикали;

- для случая смещения центра масс ЧЭ ГДГ при определении углов отклонения заданного направления от вертикали и поперечных ускорений; где b - коэффициент сил вязкого трения поплавка о жидкость (расчетная формула для вычисления b известна из [1, стр. 99];

ω - угловая скорость собственного вращения подвеса поплавка гидродинамического гироскопа; g - ускорение силы тяжести;

R₂, R_o, R_уп - радиусы поплавка, отверстия в нем и упора камеры.

А0={2γ₀ ²-(R_o-R_уп)²/(R₂ ²-R_o ²)};

A1={2γ₀W/g}; A2=2(W/g)², при d=√(R₂ ²-R_o ²)

где γ₀ - наибольший угол отклонения заданного направления от вертикали, W - максимальная величина поперечных ускорений перемещения основания.

Удаление и дополнительное размещение одинаковых масс увеличивает смещение центра масс при практически неизменной общей массе поплавка ГДГ. Следует отметить, что можно дополнительно размещать недостающую массу, распределяя ее вдоль образующей цилиндрической поверхности осевого отверстия поплавка, т.е. несколько уменьшая его радиус.

Далее помещают доработанный поплавок снова в поплавковую камеру и с учетом отмеченного в момент разборки камеры взаимного положения поплавка относительно чашек и взаимного положения самих чашек друг относительно друга фиксируют полусферические чашки поплавковой камеры в этом положении.

Повторно заполняют поплавковую камеру жидкостью того же объема, что и ранее. То есть заливают в камеру удаленную из нее жидкость, количество которой выбрано из условия обеспечения нейтральной (нулевой) аксиальной плавучести ЧЭ ГДГ.

Далее контролируют (определяют) плавучесть ЧЭ ГДГ со смещенным центром масс и корректируют, в случае необходимости, количество жидкости во внутренней полости подвеса. Эту операцию выполняют следующим образом.

В начале контролируют плавучесть поплавка по величине скорости изменения разбалансировки системы жидкое тело - поплавок таким образом, что центрируют поплавок относительно камеры и определяют скорость изменения выходного сигнала с подвеса ЧЭ гироскопа, ось собственного вращения которого наклонена к плоскости горизонта под углом 45±15 градусов. Судят о плавучести поплавка по величине скорости изменения выходного сигнала с подвеса поплавка гироскопа.

При центрировании поплавка разгоняют камеру до угловых скоростей, превышающих номинальную в 1.5-2 раза с последующим ее торможением до номинальной угловой скорости собственного вращения. При этом в сферическом гидродинамическом подвесе возникает центрирующая поплавок сила, которая совмещает центры поплавка и камеры.

При наклоне оси собственного вращения ГДП под углом к плоскости горизонта в поле силы тяжести за счет ненулевой плавучести поплавок ГДГ начинает осевое перемещение. При этом возникает разбалансировка системы жидкое тело - поплавок, т.е. он отклоняется постепенно на некоторый угол относительно камеры и системы съема сигнала ГДГ. Таким образом, происходит изменение его выходного напряжения. При этом скорость изменения выходного сигнала зависит от величины ненулевой плавучести ЧЭГДГ.

Перед определением скорости изменения выходного сигнала (обусловленной ненулевой плавучестью ЧЭ ГДГ) компенсируют его постоянную составляющую, обусловленную аксиальным смещением центра масс поплавка. Для чего вычитают из выходного напряжения компенсационный сигнал, который формируют из пары опорных напряжений системы съема сигнала путем суммирования их и согласования суммарного напряжения по фазе и по амплитуде с выходным сигналом гироскопа, определенным сразу после центрирования поплавка относительно камеры.

Следует отметить, что в выходном сигнале ГДГ сразу после центрирования поплавка (когда его аксиальное смещение относительно камеры отсутствует) составляющая выходного напряжения, обусловленная разбал