Устройство для измерения угла наклона

Устройство для измерения угла наклона

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

О П И С А Н И Е (Ä )972213

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 26.01.81 (21) 3241006/18-10 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет— (51) М Кл з

G 01 С 9/14

/ATE 21 В 47/02

Гооуддрственнык комитет

СССР (53) УДК 528 541.4 (088.8) Опубликовано 07.11.82. Бюллетень №41

Дата опубликования описания 17.!1.82 по делам изобретений и открытий

Ю. В. Суворов,Ю. В. Сильвестров, К. И. Никонов:- (,! " .:., :::-,,1,;. и С. П. Осоловски и (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) УСТРОЛСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА НАКЛОНА

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 самопишущим прибором).

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

При измерении углов наклона сооружений в грунте, вызываемых сейсмовзрывными

2 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 крестовине. На осях крестовины жестко закреплены парные стрелки, несущие на своих концах ферромагнитные сердечники, взаимодействующие с катушками индуктивности преобразоватеЛей перемещения в электрический сигнал. Для обеспечения демпфирования нижняя часть маятника погружена в ванну с жидкостью. Перед измерениями корпус датчика жестко скрепляют с измеряемым объектом (1).

С помощью этого датчика можно изме2о рять 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

972213

5 !

5

55 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 шаговый коммутатор и Датчики с фазовра. щателями. Фазовращатели подключены к двум модуляторам, каждый из которых соединен с генератором и фазовращателем, а выходы датчиков связаны с шаговым коммутатором через синхронный детектор (23.

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

Цель изобретения — повышение точности и расширение диапазона измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее чувствительный элемент в виде маятника, фазовращатель, генератор опорного напряжения, фазовый детектор, регистрирующий прибор, ротор фазовра щателя 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 умнож, .ге".и частоты и фазокомпенсатор, причем вход первого умножителя частоты соединен с выходом фазовращателя, а выход — с первым входом фазового детектора, второй выход опорного генератора соединен с первым 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. ) 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 защитным кожухом 5, снабженным разъемом 6, к которому подсоединен блок 7 с электронными элементами устройства, на передней ланели которого имеется указательный прибор, служащий для контроля балансировки схемы, что в исходном состоянии обеспечивает контроль нуле вого положения стрел ки, а также имеется узел регулирования от фазокомпенсатора 8, посредством которого устанавливается нулевое положение. С блоком 7 связан регистрирующий прибор 9, например осциллограф типа Н вЂ” 1!7.

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 вывсz 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 нз двух встречно включенных амплитудных детекторов, на входы которых плдаются сигналы напряжения с фазовращателя U и опорное U< . Перед измерениями основание 1 крепится к сооружению или устанавливается в скважине.

При наклоне основания происходит поворот оси маятника, а следовательно, и вращение ротора фазовращателя 3. При этом происходит сдвиг фаз между опорным

ЪГ выходным напряжением фазоврашателя.

Переменное напряжение с опорного генератора поступает на умножитель 11 частоты опорного сигнала, а на умножитель

14 частоты измеряемого сигнала оно поступает непосредственно с фазовращателя 3.

На них производится умножение сигнала в и раз. С умножителя опорного сигнала напряжение частотой с | 1п (tJt — текущее значение частоты) через фазокомпенсирующее устройство 12 поступает на вход фазового детектора 13. С умножителя 14 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. ь =(м1+ г,)-(м1 г,) =(— !) +(т,— г,)=т,-т„(!) где Q t — текущее значение частоты; то и Ч, — начальные фазы напряжений

Uo u Uk

972213

1О

15 го

Формула изобретения

При умножении частоты разность фаз, регистрируемая умножителем, равна: ИД„--(q, — ч,) п (2)

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

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

1-1вых = 1, (3) где 5 - величина характеризующая крутизну характеристики фазового детектора;

<Г -угол сдвига фаз между опорным напряжением и напряжением сигнала.

При этом погрешность является аддитивной, а уравнение преобразования определяется выражением

U =S(q +ь ). (4)

Величйна Dp представляет собой полосу неопределенности, а ее интервал равен 2dg.

При этом погрешность измерения остается постоянной, не зависящей от величины измеряемого угла для любых величин

Текущее значение изменения относительной погрешности преобразования ф ) =- .9 обратно пропорционально г 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,з „вЂ” разность фаз, а следовательно, и U, которое зависит от 3q и определяется выражением

Ирд = 2Кд 11 сов ч, (5) где 13 д — напряженйе на выходе фазового детектора;

К вЂ” коэффициент детектирования, учитывающий;

Кщ, — приведенные сопротивления дете кто ра;

Кд сопротивление открытого диода;

U амплитуда входного сигнаЛа;

< угол сдвига 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 вЬу„/„раз вследствие уменьшения зоны неопределенности (награфике фиг. 5, снятом с макета предлагаемого устройства, зона неопределенности изображена в виде заштрихованных полос, полоса 1 — до умножения частоты, а полоса II — после умножения частоты сигнала в 10 раз, т. е. п=10, при этом ширина полосы а У 10 мА) .

Из графика, изображенного на фиг. 5, следует, что при угле наклона 21 до умножения частоты сигнала зона неопределенности 259 лежит в пределах от 9 до 33, а значение Увых 8 мА, а после умножения в 10 раз 2Ае лежит в пределах от 19 до 23, а значение Увых возрастает до 70 мА, т. е. значительно снижает погрешность измерений и повышается чувствительность устройства. На графике 6 кривая 1 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 10мА при наклоне на 1, а с применением умножителей с п= 10 эту же чувствительность 10 мА получают при наклоне равном 6 .

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

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 регистрирующий 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

1. Авторское свидетельство СССР № 672486 кл. G 01 С 9/14, 15.06.77.

2. Авторское свидетельство СССР № 462019, кл; Е 21 В 47/02 04.03.78 (прототип).

972213

12

Фиг..7

1б

Фиг. г

Составитель В. Дроздов

Редактор Л. Пчелинская Техред И. Верес Корректор Н. Буряк

Заказ 7876/26 Тираж 614 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений н открытий

1 l3035, Москва, ж — 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», r. Ужгород, ул. Проектная, 4

У

Ю

10 б 1г 1В 2 ЗО Зб г Ю ж б0 а б 12 18 24 И Зб Ф2 И Я Ю

Аа. б