Инклинометр (варианты) - RU2100778C1

Чертежи

Показать все 10 чертежа(ей)

Описание

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для точного определения положения объектов в пространстве.

Известен плоский инклинометр, содержащий пузырьковую камеру в форме диска, на основаниях которого размещены лепестковые электроды, на которые подаются противофазные прямоугольные импульсы (патент США, N 4937518, G 01 C 17/26, 1990). Пузырек перемещается по боковой поверхности камеры, а электронная схема прибора реагирует на изменения сопротивления между электродами.

Однако, этот прибор имеет существенно нелинейную шкалу, так как при изменении положения инклинометра изменение площади той части электродов, которая покрыта проводящей жидкостью, носит нелинейный характер.

Известны емкостные инклинометры, также содержащие плоскую пузырьковую камеру с электродами, на которые подается переменное напряжение (патент Великобритания N 1495489, G 01C 9/36, 1974 или ЕПВ N 0183454, G 01 C 9/34, 1991).

Характеристика этих приборов также нелинейна, а кроме того они обладают малым динамическим диапазоном. Это объясняется тем, что пузырек перемещается по основанию дискообразной камеры, распределение потенциала в которой неоднородно.

К недостаткам описанных инклинометров следует отнести также наличие перекрестной связи между каналами и сложность интерпретации результатов измерений. Этих недостатков лишен электролитический датчик вертикали (авт. св. СССР N 440552, G 01 C 9/18 1974). В камере этого датчика размещены четыре идентичных электрода, расположенных на концах взаимно перпендикулярных диаметров, а диаметр воздушного пузырька больше диаметра электродов.

Однако, динамический диапазон этого датчика еще более ограничен из-за значительных размеров пузырьков.

Наиболее близким к изобретению является инклинометр (электронный уровень), содержащий пузырьковую камеру, заполненную диэлектрической жидкостью, с четырьмя электродами, установленными на опорах, и электронный блок, обеспечивающий измерение межэлектродной емкости (авт. св. СССР N 189162, G 01 C 24/01, 1966). Электроды являются элементами двух дифференциальных емкостных датчиков. Опоры выполнены коническими, чтобы в наименьшей степени влиять на распределение потенциала в камере.

Недостатком известного инклинометра является нелинейность характеристики, обусловленная неоднородностью поля в полости камеры. Это, в свою очередь, не позволяет расширить динамический диапазон устройства. Кроме того, описанное расположение и подключение электродов датчика приводит к возникновению перекрестных связей между каналами, затрудняет интерпретацию результатов измерений. И, наконец, к недостаткам известного устройства следует отнести и значительную зависимость показаний от положения основания, что приводит к возникновению погрешности от неустановки.

Техническим результатом от использования изобретения является повышение линейности характеристики инклинометра, расширение его динамического диапазона, снижение требований к точности установки инклинометра при одновременном снижении взаимного влияния каналов и облегчение интерпретации показаний датчика.

Указанный результат достигается тем, что инклинометр содержит камеру, заполненную жидкостью, в которой имеется неоднородность по плотности, n электродов, расположенных в камере симметрично относительно оси, проходящей через центр симметрии основания камеры, и электронный блок, осуществляющий подачу на электроды переменного напряжения и измерение параметров выходного электрического сигнала, и снабжен измерительным электродом, расположенным на оси, проходящей через центр симметрии основания камеры, и подключенным ко входу электронного блока, и периферийным кольцевым резистивным элементом, при этом для заполнения камеры используют проводящую жидкость с неоднородностью по плотности и проводимости, n электродов расположены под углом 360^o/n друг к другу при n ≥ 3, подключены к резистивному элементу и образуют систему питающих электродов, а резистивный элемент размещен симметрично относительно оси, проходящей через центры симметрии основания камеры и системы питающих электродов, на которые с выходов электронного блока подаются переменные напряжения, сдвинутые по фазе на угол 360^o/n друг относительно друга.

Указанный результат достигается также тем, что инклинометр содержит камеру, заполненную жидкостью, в которой имеется неоднородность по плотности, n электродов, расположенных в камере симметрично относительно оси, проходящей через центр симметрии основания камеры и электродный блок, осуществляющий подачу на электроды переменного напряжения и измерение параметров выходного электрического сигнала, и снабжен корпусом с, по меньшей мере, двумя базовыми плоскостями, на каждый из которых закреплена камера, заполненная жидкостью, в которой имеется неоднородность по плоскости и размещены n электродов, причем каждая камера снабжена измерительным электродом, расположенным на оси, проходящей через центр симметрии основания камеры, и подключенным к соответствующему входу электронного блока, и периферийным кольцевым резистивным элементом, при этом для заполнения камеры используют проводящую жидкость с неоднородностью по плотности и проводимости, n электродов расположены в камерах под углом 360^o/n друг к другу при n ≥ 3 и образуют систему питающих электродов, а резистивный элемент размещен симметрично относительно оси, проходящей через центр симметрии основания камеры и системы питающих электродов, на которые с выходов электронного блока подаются переменные напряжения, сдвинутые по фазе на угол 360^o/n друг относительно друга.

При этом электронный блок может быть выполнен с возможностью измерения амплитуды и/или фазы напряжения на измерительном электроде.

Кроме того, сопротивление резистивного элемента может лежать в диапазоне 1 100 кОм.

Целесообразно также, чтобы камера была выполнена цилиндрической, а резистивный элемент образовывал ее боковую поверхность.

Кроме того, камера может быть выполнена цилиндрической, а резистивный элемент в виде двух параллельно соединенных плоских колец с внутренними выводами, размещенных на основаниях камеры.

Рекомендуется также снабдить инклинометр трехкомпонентным датчиком магнитного поля, а корпус выполнить с тремя базовыми плоскостями.

В этом случае трехкомпонентный датчик магнитного поля может быть выполнен в виде трех кольцевых феррозондов с обмотками, одни концы которых соединены с соответствующими выходами электронного блока, а другие концы соединены с выходами феррозондов и первым выводом резистора, второй вывод которого подключен к общей точке.

При этом инклинометр может быть снабжен акселерометром.

Указанный результат достигается также тем, что инклинометр содержит камеру, заполненную жидкостью, в которой имеется неоднородность по плотности, n электродов, расположенных в камере симметрично относительно оси, проходящей через центр симметрии основания камеры, опору, расположенную в полости камеры, и электронный блок, осуществляющий подачу на электроды переменного напряжения и измерение параметров выходного электрического сигнала, и снабжен измерительным электродом, расположенным на опоре на оси, проходящей через центр симметрии основания камеры, и подключенным ко входу электронного блока, при этом для заполнения камеры используют проводящую жидкость с неоднородностью по плотности и проводимости, n электродов расположены под углом 360^o/n друг к другу при n ≥ 3 и образуют систему питающих электродов, а опора выполнена симметричной относительно оси, проходящей через центр симметрии основания камеры и системы питающих электродов, на которые с выходов электронного блока подаются переменные напряжения, сдвинутые по фазе на угол 360^o/n друг относительно друга.

Указанный результат достигается также тем, что известный инклинометр, содержит камеру, заполненную жидкость, в которой имеется неоднородность по плотности, n электродов, расположенных в камере симметрично относительно оси, проходящей через центр симметрии основания камеры, опору, расположенную в плоскости камеры, и электронный блок, осуществляющий подачу на электроды переменного напряжения и измерение параметров выходного электрического сигнала, и снабжен корпусом, с по меньшей мере, двумя базовыми плоскостями, на каждой из которых закреплена камера, заполненная жидкостью, в которой имеется неоднородность по плотности и размещены n электродов, причем каждая камера снабжена измерительным электродом, установленным на опоре на оси, проходящей через центр симметрии основания камеры, и подключенным к соответствующему входу электронного блока, при этом для заполнения камеры используют проводящую жидкость с неоднородностью по плотности и проводимости, n электродов расположены в камерах под углом 360^o/n друг к другу при n ≥ 3 и образуют систему питающих электродов, а опора выполнена симметричной относительно оси, проходящей через центр симметрии основания камеры и системы питающих электродов, на которые с выходов электронного блока подаются переменные напряжения, сдвинутые по фазе на угол 360^o/n друг относительно друга.

При этом электронный блок может быть выполнен с возможностью измерения амплитуды и/или фазы напряжения на измерительном электроде.

Кроме того, опора может быть выполнена с плоскими основаниями.

Рекомендуется также, чтобы максимальное расстояние между наружной поверхностью опоры и внутренней поверхностью камеры со стороны измерительного электрода было меньше, чем минимальное расстояние между ними в месте расположения питающих электродов.

В частности, целесообразно, чтобы максимальное расстояние между наружной поверхностью опоры и внутренней поверхностью камеры со стороны измерительного электрода было выбрано из условия расположения неоднородности вне периметра опоры.

Кроме того, основание опоры может быть выполнено с выступами, расположенными между питающими электродами.

При этом, инклинометр может быть снабжен трехкомпонентным датчиком магнитного поля, а корпус выполнен с тремя базовыми плоскостями.

В этом случае трехкомпонентный датчик магнитного поля может быть выполнен в виде трех кольцевых феррозондов с n обмотками, одни концы которых соединены с соответствующими выходами электронного блока, а другие концы соединены с выходами феррозондов и первым выводом резистора, второй вывод которого подключен к общей точке.

Рекомендуется также снабдить инклинометр акселерометром.

Как явствует из изложенного, предлагаемые инклинометры имеют ряд особенностей, обеспечивающих достижение вышеупомянутого результата.

Так, во всех вариантах выполнения инклинометра расширение динамического диапазона, снижение зависимости выходного сигнала от погрешности установки и увеличение линейности характеристики имеет место за счет изменения (линеаризации) формы электромагнитного поля в рабочей полости камеры. Это достигается наличием и расположением измерительного электрода, а также наличием средств выравнивания распределения поля в полости камеры: резистивного элемента и/или опоры.

На фиг. 1 показана камера инклинометра с цилиндрическим резистивным элементом, сечение А-А вдоль ее оси; фиг.2 то же, сечение Б-Б поперек ее оси и подключение электродов к элементам электронного блока; на фиг. 3 и 4 - инклинометр с кольцевыми резистивными элементами: на фиг.3 проведена камера инклинометра, продольный разрез В-В, а на фиг.4 показан резистивный элемент (вид Г), вид сверху; на фиг.5 изображен инклинометр с опорой (вид сверху) и тремя питающими электродами; на фиг. 6 и 7 показан вариант инклинометра с тремя и с двумя базовыми плоскостями A, B и C, соответственно, т.е. трех- и двухканальный инклинометры; фиг.8 иллюстрирует форму напряжений, поступающих на питающие электроды при n 3 и обозначенных "a, b", и "c"; на фиг.9 и на фиг. 10 показано то же, продольное сечение Д-Д и поперечное сечение Е-Е инклинометра с опорой при n 4; на фиг.11 схематично изображен однокомпонентный кольцевой феррозонд.

Между основаниями 1 расположена цилиндрическая камера 2, ограниченная резистивным элементом 3, образующим ее боковую поверхность (фиг. 1 и 2). Полость камеры 2 частично заполнена проводящей жидкостью 4. Питающие электроды 5 установлены по периметру основания 1 и контактируют с элементом 3, а измерительный электрод 6 размещен в центре камеры 2. В жидкости 4 имеется неоднородность 7.

Элементы 1 7 образуют двухосный уровень, двухосный позиционер 8. Несколько таких уровней (фиг. 6 и 7) могут устанавливаться на корпусе 9 вместе с датчиком 10 магнитного поля, например, трехкомпонентным феррозондом, обеспечивающим определение направления вектора магнитного поля Земли, и измерителем пути.

Подачу питающих напряжений на электроды 5 и съем информационного сигнала с электрода 6 обеспечивает электронный блок 11 (фиг. 2 и 9). В его состав может входит акселерометр 12 (фиг.6) с двумя выходными интеграторами 13, образующие измеритель пути. В состав блока 11 входит также генератор 14 переменного напряжения (форма которого может быть различной, например треугольной, синусоидальной, прямоугольной), формирующий сдвинутые по фазе сигналы, изображенные на фиг. 8, и фазочувствительный детектор 15, управляющий вход которого соединен с одним из выходов генератора 14.

Электроды 5 подключены к выходам электронного блока 11, а электрод 6 к его входу (фиг. 2 и 9) Выходы детектора 15, датчика 10 и измерителя пути и/или акселерометра 13 соединены с соответствующими входами вычислительного блока, обеспечивающего определение истинного положения объекта, на котором установлен инклинометр. Алгоритм работы вычислительного блока полностью аналогичен алгоритмам работы подобных блоков двухкомпонентных измерителей уровня, в том числе и перечисленных выше. Положение объекта может определять и оператор по показаниям вольтметра (вольтметров), подключенного к выходу детектора (детекторов) 15.

Если в состав инклинометра входит несколько уровней 8, то одноименные электроды 6 соединяются параллельно, т.е. используется общий генератор 14, а детектор 15 в каждом уровне 8 свой.

В инклинометрах с элементом 3 электрод 6 устанавливают на оси 16 (фиг. 1 и 3).

Позицией 17 на фиг. 5 и 9 обозначена опора, позицией 18 выступ ее основания.

В отдельных вариантах инклинометра с опорой 17 неоднородность 7 может перемещаться только вне периметра опоры 17 (фиг.10). В последнем случае расстояние между поверхностью или свободным основанием опоры 17 и внутренней поверхностью камеры 2 выбирают из условия непроникновения неоднородности 7' в заштрихованную на фиг. 2 и 3 область (в частном случае эти поверхности могут и соприкасаться).

Элемент 3 может быть выполнен в виде двух плоских колец 19 с выводами 20, размещенных на основаниях 1 камеры 2, ограниченной боковой поверхностью 21 (фиг. 3 и 4).

Однокомпонентный кольцевой феррозонд (фиг.11) содержит ферриттовый сердечник 22, обмотки 23, сдвинутые на угол 360^o/n друг относительно друга и резистор 24. Такие феррозонды удобно размещать на плоскостях A, B и C корпуса 9, например, концентрично с камерой 2. Запитываются феррозонды напряжениями с соответствующих выходов генератора 15. Информация с выхода феррозондов поступает на стандартный детектор, выделяющий вторую гармонику сигнала. Амплитуда выходного напряжения феррозонда определяет напряженность магнитного поля в месте его расположения, а фаза направление.

Рассмотрение вышеизложенного существа предложения и примеров реализации инклинометра позволяет, с одной стороны, заключить, что существо предложения не ограничивается приведенными примерами реализации, а с другой выделить некоторые особенности предлагаемых инклинометров.

Так, плотность неоднородности 7 может быть выше или ниже плотности жидкости 4, при этом меняется только рабочее положение уровня 8. Также точно и проводимость неоднородности 7 может быть выше или ниже проводимости жидкости 4. Что же качается материала неоднородности 7, то это может быть газ или жидкость. Например, полость камеры 2 может быть заполнена спиртовым раствором, а неоднородность 7 образована пузырьком воздуха. И наоборот, в качестве жидкости 4 может быть использована капля ртути, а все остальное пространство камеры 2 может быть заполнено воздухом. Хорошие результаты могут быть получены и при использовании двух несмешивающихся жидкостей, например, раствора спирта и глицерина в качестве жидкости 4 и неоднородности 7 соответственно.

Следует отметить также, что подачу напряжений на электроды 5 с выходов электронного блока 11 осуществляют в определенном порядке, двигаясь по кругу в определенном направлении, так что разность фаз между соседними электродами 5 равна 360^o/n. Выше уже упоминалось, что форма выходных напряжений генератора 14 может быть различной: прямоугольной, треугольной, импульсной, синусоидальной. В качестве детектора 15 можно использовать вольтметр, осциллограф, анализатор формы сигнала, фазовый и/или амплитудный детекторы. Разумеется, в вариантах с несколькими каналами (уровнями 8) используют и многоканальный детектор 15. При наличии магнитометра 10 или акселерометра 12, их выходные сигналы могут регистрироваться отдельно или поступать вместе с выходным сигналом детектора 15 в общий блок обработки, определяющий ориентацию и/или местоположение объекта, на котором установлен инклинометр. Алгоритм работы и выполнение подобных блоков обработки, как впрочем и электронных блоков 11, широко известны.

Резистивный элемент 3 должен иметь сопротивление от 100 Ом до 1 МОм. Он должен быть выполнен из однородного материала с изотропными свойствами и линейной вольтамперной характеристикой, например, компаунда на основе полиэтилена, термопласта, ПВХ, эпоксидной смолы с вкраплениями сажи, графита, металлических опилок.

Камера 2 должна иметь форму тела вращения.

Опора 17 может иметь форму конуса, пирамиды, усеченной пирамиды или параллелепипеда с многогранником в основании, расположенным так, что его углы (выступы 18 основания опоры) размещаются между питающими электродами 5. Основание опоры 17 может иметь и форму "ромашки", лепестки которой расположены между питающими электродами 5.

Как отмечено выше, целесообразно размеры полости, заполненной жидкостью 4 в месте размещения измерительного электрода 6 делать меньше соответствующих размеров в месте расположения питающих электродов 5. Это может выражаться в вышеуказанном соотношении максимальных и минимальных расстояний или в соответствующем соотношении сечений.

Основанием камеры 2 выше именуется реальная или воображаемая плоскость камеры 2, устанавливаемая на объект, ориентируемая относительно него определенным образом, т.е. некоторая базовая плоскость, конструктивно выраженная в форме камеры 2 или элементах ее крепления к объекту или корпусу 9 (при этом основание камеры 2 фиксируется относительно базовой плоскости корпуса 9).

Инклинометр работает следующим образом. Напряжения V_i с выходов генератора 14 подаются на электроды 5 и создают в полости камеры 2 определенное распределение поля. При изменении пространственного расположения камеры 2 меняется и положение в ней неоднородности 7 (7') или капли проводящей жидкости 4. Например, для неоднородности 7 (фиг.5 и 10) в исходном положении, когда эта неоднородность находится непосредственно над электродом 6, потенциал последнего равен нулю. Соответственно равен нулю и выходной сигнал детектора 15. По мере же смещения неоднородности 7 к одному из электродов 5, напряжение на выходе детектора 15 возрастает, причем величина этого напряжения зависит от фазы напряжения на электроде 6, что и указывает к какому именно электроду 5 смещается неоднородность 7. Таким образом, детектор 15 осуществляет измерение амплитуды и фазы напряжения на электроде 6. Однако возможно измерение только амплитуды (неоднородность 7 находится вблизи электрода 6) или только фазы (ее радиальное смещение велико). Можно воспользоваться и измерителем формы сигнала на электроде 6. Это означает, что изменение положения уровня 8 выражается одновременно в изменении фазы и амплитуды сигнала, однако амплитуда меняется при радиальном смещении неоднородности 7, а фаза при ее азимутальном движении. Поскольку регистрация фазы (а тем более при определенных формах питающего напряжения и скважности) реализуется проще и точнее, чем регистрация амплитуды, основным рабочим положением приборов, изображенных на фиг.5 и 10, является горизонтальное, когда неоднородность 7 перемещается вдоль диаметра основания камеры 2, что и показано на упомянутых рисунках.

Напротив, для приборов, показанных на фиг. 1 8 таким основным рабочим положением является вертикальное (фиг. 2 и 3).

Следует учитывать однако, что каждый уровень 8 имеет две оси чувствительности, позволяет однозначно определить пространственное положение объекта при вращении вокруг взаимно перпендикулярных осей. При этом неоднородность 7 перемещается вдоль радиуса камеры 2.

Сочетание двух или трех уровней 8 и датчика 10 позволяет определить угловое положение объекта при вращении на любые углы и вокруг любых осей.

Введение же акселерометра 12 с интеграторами 13 позволяет определять и координату инклинометра, например, глубину его погружения. Более того, показания акселерометра 12 могут быть использованы для корректировки показаний уровней 8. В простейшем случае, показания уровней 8 следует снимать при отсутствии ускорения объекта, т.е. при нулевом показании акселерометра 12.

Нетрудно видеть, что для уровня 8, показанного на фиг.2 и 3 динамический диапазон составляет 360^o. Для приборов с опорой 17 распределение поля в полости камеры 2 позволяет измерять наклон в диапазоне до 30^o при расположении неоднородности 7 над опорой 17 и 360^o при расположении неоднородности 7' вне периметра опоры 17, т.е. в случае, когда силы поверхностного натяжения не позволяют неоднородности 7' проникнуть в область между опорой 17 и электродом 6. Разумеется в описанных случаях плоскости вращения уровней 8 различны, как и диапазоны изменения выходных сигналов детекторов 15.

В то же время, характеристика предлагаемых инклинометров линейна во всем диапазоне, а взаимное влияние каналов практически отсутствует. Это объясняется тем, что поле в полости камеры 2 изменяется линейно, причем при радиальном смещении неоднородности 7 практически меняется только амплитуда выходного сигнала, а при азимутальном только фаза.

Таким образом, предлагаемые инклинометры обеспечивают высокоточное линейное измерение углового положения объекта, а вместе с ним и его положения в пространстве, в максимально широком диапазоне и с применением простейшей аппаратуры.

Проведенные расчет и испытания показали также, что однородное распределение поля в полости камеры 2 минимизирует погрешность от неустановки уровня 8 на базовой плоскости корпуса 9, что существенно расширяет область возможного использования инклинометров, упрощает их применение.

Реферат

Использование: приборостроение, для точного определения положения объектов в пространстве. Сущность изобретения: инклинометр содержит камеру, заполненную жидкостью в которой имеется неоднородность по плотности, n электродов, расположенных в камере симметрично относительно оси, проходящей через центр симметрии основания камеры, опору, расположенную в полости камеры, и электронный блок, осуществляющий подачу на электроды переменного напряжения и изменение параметров выходного электрического сигнала. Инклинометр снабжен измерительным электродом, расположенным на опоре на оси, проходящей через центр симметрии основания камеры, и подключенным ко входу электронного блока. Для заполнения камеры используют проводящую жидкость с неоднородностью по плотности и проводимости, n электродов расположены под углом 360^o/n, при ≥3, и образуют систему питающих электродов, а опора выполнена симметричной относительно оси, проходящей через центры симметрии основания камеры и системы питающих электродов, на которые с выходов электронного блока подаются переменные напряжения, сдвинутые по фазе на угол 360^o/n друг относительно друга. В других вариантах устройство вместо опоры содержит периферийный резистивный элемент, который может быть выполнен в виде боковой поверхности цилиндрической камеры либо в виде двух плоских колец с внутренними выводами. Инклинометр может быть снабжен трехкомпонентным датчиком магнитного поля, а корпус выполнен с тремя базовыми плоскостями. 4 и 25 з.п. ф-лы, 11 ил.

Формула