Дифференциальный индуктивно-емкостный преобразователь углов наклона (его варианты)

Дифференциальный индуктивно-емкостный преобразователь углов наклона (его варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

О П И С А Н И Е (п)994913

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

Союз Советских

Социалистических

Реснублик к -лвтовскомм свидвтельствь (В! ) Дополнительное к авт. свид-ву— (5I)M. Кл.

{22) Заявлено 24. 12. 80(21) 3222572/18-10 с присоединением заявки М—

G 01 С 9/Об

Геа)%арствнеп4 кевнтет

СССР ав аалав нзвбретеинй. н етхрытнй (23) П риоритет—

{опубликовано 07.02.83. Бюллетень Ют 5

Дата опубликования описания 07.02.83 (53) УДК 528. 541 (088.8) {72) Авторы изобретения

Н.И.Даников, Т,С.Даникова, A.À.Ãîëîâèíà и т...

t ".-:4/i

У 1 с

Московский институт электронного машиностреещщ (71) Заявитель (54) ДИффЕРЕНЦИАЛЬНЫй ИНДУКТИВНО-ЕНКОСТНЫД

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛОВ НАКЛОНА (ЕГО ВАРИАНТЫ) 1.

Изобретение относится к измеритель ной технике, в частности-к устройствам для измерения углов наклона объек- та относительно. горизонта.

Наиболее близким к изобретению по

5 технической .сущности является дифференциальный емкостный преобразователь углов наклона объекта относительно горизонта, состоящий из трех плоских маятников, образующих электроды преоб.1о разователя. В нем все три электрода размещены на маятниках, причем центр тяжести среднего маятника находится ниже его оси опоры, расположенной на высоте, меньшей половины расстояния >s от основания корпуса до осей опор бо-. ковых маятников.

Наиболее высокочувствительные из,мерения осуществляют включением данного дифференциального емкостного преобразователя в колебательный

LC-контур высокочастотного автогенератора 51) .

Недостатком известного преобразователя углов наклона является относительно низкая чувствительность измерения углов наклона. Это объясняется тем, что в колебательном LC-контуре чувствительной к углу наклона является толь ко емкость преобразователя, в то время как индуктивность контура не претерпевает изменений. Кроме того, в конструкции известного дифференциального емкостного преобразователя практически не используется. в качестве информативного объема пространство, Занимаемое грузом, прикрепленным к нижней части среднего маятника, что также является. фактором, не позволяющим получить максимально возможную чувствительность измерения углов наклона объектов по отношению к объему, занимаемому конструкцией дифференциального емкостного преобразователя.

Целью изобретения является увеличение чувствительности измерения уг994913 лов,наклона объектов без увеличения его габаритов.

Указанная цель достигается тем, что s дифференциальном емкостном преобразователе углов наклона, по пер-5 вому варианту, содержащем корпус и электроды, включенные в задающие колебательные контуры высокочастотных

LC-автогенераторов,. причем боковые электроды размещены на маятниках, а 10 центр тяжести среднего электродамаятника находится ниже его оси опоры, расположенной на высоте, меньшей половины расстояния от основания корпуса до осей опор боковых маятников, 15 на нижних гранях боковых электродов размещены катушки индуктивности прямоугольной формы, торцевые поверхности которых параллельны поверхностям электродов, а нижний груз среднего электрода выполнен в виде взаимодействующего с катушками индуктивности прямоугольного параллелепипеда, изготовленного из электропроводящего материала, две боковые грани которого параллельные торцевым поверхностям катушек индуктивности, причем при изготовлении прямоугольного параллелепипеда из ферромагнитного материала каждый боковой электрод с размещенной на нем катушкой индуктивности образует отдельный задающий колебательный контур высокочастотного LC-автогенератора, а при изготовлении прямоугольного параллелепипеда 35 из немагнитного матеоиала отдельный задающий колебательный контур высокочастотного С-автогенератора образует боковой электрод с катушкой индуктивности, размещенной на другом 40 боковом электроде. лельны поверхностям среднего электрода и боковым поверхностям прямоугольных параллелепипедов, изготовленных из электропроводящего материала и имеющих размеры торцевых поверхностей, равные размерам торцевых поверхностей внутренних окон каркасов катушек индуктивности, при этом прямоугольные параллелепипеды размещены на нижних гранях боковых электродов так, что каждый из них сдвинут на боковых электродах друг относительно друга на расстояние, равное торцевой поверхности катушки индуктивности, причем при изготовлении прямоугольных параллелепипедов из ферромагнитного материала отдельный задающий колебательный контур. высокочастотного LC-, автогенератора образует катушка индуктивности и боковой электрод с размещенным напротив катушки индуктивности. прямоугольным параллелепипедом, а при изготовлении прямоугольных параллелепипедов из немагнитного мате-. риала отдельный задающий колебательный контур высокочастотного LC-автогенератора образует катушка индуктивности и боковой электрод с прямоугольным параллелепипедом, сдвинутым на боковом электроде относительно катушки индуктивности на расстояние, равное торцевой поверхности катушки индуктивности.

В дифференциальном емкостном преобразователе углов наклона, по второму варианту, содержащем корпус и

45 электроды, включенные в задающие колебательные контуры высокочастотных С-автогенераторов, причем боковые электроды размещены на маятниках, а центр тяжести среднего электрода маятника находится ниже его оси опо50 ры, расположенной на высоте, меньшей половины расстояния от основания корпуса до осей опор боковых маятников, нижний груз среднего электрода выполнен в виде двух параллельно расположенных доуг относительно друга катушек индуктивности прямоугольной формы, торцевые поверхности которых паралНа фиг.1 изображена принципиальная схема конструкции дифференциального индуктивно-емкостного преобразователя углов наклона объекта с катушками индуктивности, расположенными на нижних гранях боковых электродов; на фиг.2 - принципиальная схема конструкции дишференциального индуктивно-емкостного преобразователя углов наклона объектов с катушками индуктивности, применяемыми в качестве нижнего груза среднего электрода; на фиг.3 изображена блок-схема электронного измерительного преобразователя.

Преобразователь по первому варианту содержит корпус 1, внутри которого установлены три плоских емкостных электрода 2, 3 и 4, прикрепленные к трех параллельным опорам 5, 6 и 7.

На нижних гранях боковых электродов

2 и 4 размещены катушки индуктивности 8 и 9 прямоугольной формы. Торцевые поверхности катушек индуктивности параллельны поверхностям боковых электродов. Нижний груз среднего электро5 9949 да 3 выполнен в виде взаимодействующего с катушками индуктивности 8 и 9 прямоугольного параллелепипеда 10, изготовленного из электропроводящего материала. Боковые поверхности прямо- 5 угольного параллелепипеда, обращенные в катушкам индуктивности, параллельны торцевым поверхностям катушек индуктивности.

Преобразователь по второму вариан- 1О ту содержит корпус 1, идентичный корпусу преобразователя (фиг.1), а также установленные внутри корпуса три плоских емкостных электрода 2,. 3 и 4, прикрепленные к трех параллельным опорам 1

5, 6 и 7. На нижних гранях боковых электродов 2 и 4 размещены прямоугольные параллелепипеды 11 и 12, изготовленные из электропроводящего материала. Нижний груз среднего электрода 3 2о выполнен е виде двух параллельно рас1 . положенных друг относительно друга катушек индуктивности l3 и 14 прямоугольной формы. Торцевые поверхности катушек индуктивности 13 и 14 параллельны 25 поверхностям среднего электрода 3 и боковым поверхностям прямоугольных.параллелепипедов 11 и 12. Размеры торцевых поверхностей прямоугольных параллелепипедов 11 и l2, обращенных в ка- 3о тушкам индуктивности 13 и 14, равны торцевым поверхностям внутренних окон каркасов 15 и 16 катушек индуктивностей 13 и 14. Прямоугольные паралле лепипеды 11 и 12 размещены на нижних з гранях боковых электродов 2 и 4 так, что каждый из них сдвинут на боковых электродах друг относительно друга на расстояние, равное торцевой поверхности катушки индуктивности. При этом4о торцевая поверхность прямоугольного параллелепипеда 11 расположена напротив торцевой поверхности внутреннего окна каркаса 15 катушки индуктивности 13, а торцевая поверхность 45 прямоугольного параллелепипеда 12 рас- положена напротив торцевой поверхности внутреннего окна каркаса 16 катушки индуктивности 14.

I 50

В случае изготовления прямоугольных параллелепипедов 10, 11 и 12 из ферромагнитного материала емкость конденсатора Сl можду электродами 2 и 3 и индуктивность L1 катушки индуктивности 8 в конструкции преобразователя, изображенного на фиг.l, или индуктивность L3 катушки индуктивности 13 в конструкции преобразо13 б вателя, изображенного на фиг.2, образуют отдельный задающий колебательный контур, включаемый в цепь высокочастотного LC-автогенератора 17. Емкость конденсатора С2 между электродами 3 и 4 и индуктивность L2 катушки индуктивности 9 в конструкции преобразователя, изображенного на фиг.1, или индуктивность L4 катушки индуктивности 14 в конструкции преобразователя, изображенного на фиг.2, образуют другой отдельный задающий колебательный контур, включаемый в цепь высокочастотного LC-автогенератора 18.

В случае изготовления прямоугольных параллелепипедов 10, 11 и 12 из немагнитного материала отдельный за-. дающий колебательный контур высокочастотного LC-автогенератора 17 образует емкость конденсатора Сl между электродами 2 и 3 и индуктивность L2 катушки индуктивности 9 или индуктивность L4 катушки индуктивности 14.

Другой отдельный задающий колебатель". ный контур высокочастотного LC-автогенератора 18 образует емкость конденсатора С2 между электродами 3 и 4 и индуктивность Ll катушки индуктивности 8 или индуктивность 3 катушки индуктивности 13. Высокочастотные

LC-автогенераторы 17 и 18 образуют дифференциальную схему измерени@ Выходы высокочастотных LC-автогенераторов 17 и 18 присоединены к смесителю 19, выход которого через фильтр нижних частот 20, усилитель-ограничитель -21 присоединен к электронному частотомеру 22, индицирующему разностную частоту высокочастотных LC-автогенераторов 17 и 18, представляющую собой информацию об угле наклона измеряемого объекта относительно горизонта.

Принцип работы дифференциальных индуктивно-емкостных преобразователей, изображенных на фиг.1 и фиг.2 одинаков. Поэтому рассмотрим принцип работы преобразователя по первому . варианту для случаев изготовления прямоугольного параллелепипеда 10 из ферромагнитного и немагнитного мате" риалов.

Дифференциальный индуктивно-емкостный преобразователь в случае изготовления прямоугольного параллелепипеда

10 из ферромагнитного материала работает следующим образом.

7. 994

Если корпус преобразователя установлен горизонтально (угол наклона

oL = 0 ), то расстояние между боковыми и центральными электродами, а также между торцевыми поверхностями прямоугольного параллелепипеда и катушек индуктивности одинаково. При этом величины емкостей и индуктивностей, включенных в два колебательных контура высокочастотных LC-автогенераторов, равны, т.е. L С 1= L2C

1 1 2 2

В результате этого на выходе генераторов 17 и 18 будут одинаковые частоты. Преобразовывая частоты двух генераторов 17 и 18 по схеме (фиг.3), на индикаторе частотомера 22 получаем нулевую частоту, так как

1 — 1 — = 0 11С1 1 С

При наклоне объекта, а следовательно, и дифференциального индуктивно-емкостного преобразователя, в плоскости маятников (например, в пра- > вую сторону) левый электрод 2 с катушкой индуктивности 8 приближается к центральному электроду 3 с размещенным на нем прямоугольным параллелепипедом 1О, а правый электрод 4 с казо тушксй индуктивности 9 удалится от центрального электрода 3 с размещенным на нем прямоугольным параллелепипедом 10. При этом величина емкости С 1 между электродами 2 и 3 увеличится, а величина емкости С2 между электродами 3 и 4 уменьшится. В результате взаимодействия электромагнитных полей катушек индуктивностей 8 и 9 с ферромагнитным прямоугольным параллелепипедом величина индуктив40 ности Ll катушки индуктивности. 8 уве-! личится, а величина индуктивности

L2 катушки индуктивности 9 уменьшит/ ся. i ÷èñëåííûå значения изменения величин индуктивностей Ll и L2 катушек индуктивностей 8 и 9 при изменении расстояния между их торцевыми поверхностями и торцевыми поверхностями ферромагнитного прямоугольного параллелепипеда можно получить из выражений, приведенных в работе Соболева B.Ñ., Шкарлета И.М. Накладные и экранные датчики). Таким образом, емкость Сl между электродами 2 и 3 и индуктивность Ll катушки индуктивнос- ти 8 увеличит свои значения при максимальном угле наклона преобразователя с =с".а„. . приму» максимальные

913 8 свои значениЯ, т.е. (.1С1 = 1мс, См макс макс а емкость С2 между электродами 3 и 4 и индуктивность 2 катушки индуктивности 9 уменьшат свои значения и при максимальном угле наклона преобразователя примут минимальные значения, т.е. LgCg = 1 „„Сп»;р. При этом в случае максимального угла наклона преобразователя частота генератора 17 с контуром L1C1 будет минимальной, т.е. а частота генератора 18 с конту™ром L2C2 максимальной, т.е.

Г® =Г„»а„. Преобразовывая частоты этих генераторов по блок-схеме (фиг.3), на индикаторе частотомера 22 получим максимальное значение разностной частоты генераторов 17 и 18, соответствующее максимальному углу наклона преобразователя. Наклон преобразователя в левую сторону вызовет обратное идентичное изменение параметров емкостей и индуктивностей дифференциального индуктивно-емкостного преобразова теля углов наклона объектов.

В случае изготовления прямоугольного параллелепипеда 10 из немагнитного материала при максимальном наклоне преобразователя, например в правую сторону, величина емкости Сl между электродами 2 и 3 станет максимальной, а величина индуктивности Ll катушки индуктивности 8 в результате взаимодействия ее магнитного поля с вихревыми токами, наводимыми этим полем на поверхности прямоугольного параллелепипеда, станет минимальной, в то же время величина емкости С2 между электродами 3 и 4 станет минимальной, а величина индуктивности L2 катушки индуктивности 8 в результате взаимодействия ее электромагнитного поля с вихревыми токами, наводимыми этим полем на поверхности прямоугольного параллелепипеда, станет максимальной, Для изменения емкости и индуктивности колебательных контуров генераторов 17 и 18 в одну сторону при изменении угла наклона преобразователя катушки индуктивности необходимо в этом случае включать в противоположные по отношению к боковым электродам колебательные контуры высокочастотных LC-автогенераторов. Таким образом, емкость Сl между электродами

2 и 3 и индуктивность L2 будут иметь максимальные значения при максимальном угле наклона преобразователя в правую сторону, а емкость С2 между

Формула изобретения

9 99491 электродами 3 и 4 и индуктивность L1 будут при этом иметь минимальные значения. Частота генератора 17 с контуром L2C1 будет минимальной, т.е. а частота генератора 18 с 5 контуром 1 С2 будет максимальной, .т.е.

Й =Г„, „. Преобразовывая эти частоты по блок-схеме (фиг.3), получим на индикаторе частотомера 22 максимальную разностную частоту генераторов 17 и

18, соответствующую максимальному— углу наклона преобразователя. Наклон преобразователя в левую сторону вызовет обратное идентичное изменение параметров емкостей и индуктивностей дифференциального индуктивно-емкостного преобразователя углов наклона обьектов.

Физический принцип работы дифференциального индуктивно-емкостного преобразователя по, второму варианту (фиг.2) идентичен принципу работы преобразователя по первому варианту (фиг. 1) .

Исследования экспериментальных об- 5 разцов дифференциальных индуктивноемкостных преобразователей углов на- . клона подтвердили возможность значительного увеличения чувствительности измерения углов наклона объектов без 30 увеличения гагаритов предлагаемого . преобразователя по сравнению с конструкцией известного дифференциального емкостного преобразователя. В разработанных конструкциях дифференциаль"з5 ных индуктивно-емкостных преобразователей получена чувствительность

6,5 кГц/с на частоте 5,0 ИГц, в то время как чувствительность конструкции известного преобразователя равна 40

3,6 кГц/с.

Технико-экономический эффект изобретения заключается в значительном увеличении чувствительности проводимых измерений углов наклона обьекта без увеличения габаритов конструкции преобразователя.

1. Дифференциальный индуктивноемкостный преобразователь углов наклона, содержащий корпус и электроды, включенные в задающие колебательные контуры высокочастотных 1С-автогенераторов, причем боковые электроды размещены на маятниках, а центр тяжести среднего электрода-маятника находится ниже его оси опоры, расположенной на высоте, меньшей половины расстояния от основания корпуса до осей опор боковых маятников, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью увеличения чувствительности измерения без увеличения габаритов преобразователя, на нижних гранях боковых электродов размещены катушки индуктивности прямоугольной формы, торцевые поверхности которых параллельны поверхностям электродов, а нижний груз среднего электрода выполнен в виде взаимодействующего с катушками индуктивности прямоугольного параллелепипеда„ изготовленного из ферромагнитного материала, две боковые грани которого параллельны торцевым поверх" ностям катушек индуктивности, причем каждый боковой электрод с размещенной на нем катушкой индуктивности образует отдельный задающий коле ательный контур высокочастотного LC-автогенератора.

2. Преобразователь по п,l, о т— л и ч а ю шийся тем, что прямоугольный параллелепипед выполнен из немагнитного материала, причем отдельный задающий колебательный контур высокочастотного LC-автогенератора образует боковой электрод с катушкой индуктивности, расположенной на дру.гом боковом электроде.

3. Дифференциальный индуктивноемкостный преобразователь углов наклона, содержащий корпус и электроды, включенные в задающие колебательные контуры высокочастотных LC-автогенераторов, причем боковые электроды размещены на маятниках, а центр тяжести среднего электрода-маятника находится ниже его оси опоры, распаложенной на высоте, меньшей половины расстояния от основания корпуса до осей опор боковых маятников, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью увеличения чуствительности измерения без увеличения габаритов преобразователя, нижний груз среднего электрода выполнен в виде двух параллельно рас" положенных друг относительно друга катушек индуктивности прямоугольной формы, торцевые поверхности которых параллельны поверхностям среднего электрода и боковым поверхностям прямоугольных параллелепипедов, изготовленных из электропроводящего материала и имеющих размеры торцевых

11 994913 12 поверхностей, Равные торцевых поверх- друга на расстояние, равное торцевой ностей внутренних окон каркасов ка- . поверхности катушки индуктивности. тушек индуктивности, при этом прямо- Источники информации, угольные параллелепипеды размещены принятые во внимание при экспертизе на нижних гранях боковых электродов % 1. Авторское свидетельство СССР так, .что каждый из них сдвинут на бо- У 731288, кл. G 01 С 9/16, 24.12.74 ковых электродах друг относительно . (прототип).

99"913. Составитель В.Дроздов

Редактор Н.Пушненкова Техред И, Надь

Корректор И.Шароши

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 625/25 Тираж 600 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035 Москва, 8-35, Раушская наб., д. 4/5