Маятниковый инклинометр с функцией дистанционной калибровки - RU206917U1

Чертежи

Описание

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к датчикам для измерения угловых перемещений (отклонений) – инклинометрам, и может найти применение, например, в системах мониторинга напряженно-деформированного состояния несущих конструкций строительных сооружений, мачт сотовой связи, угловой стабилизации платформ и др.

В основе функционирования инклинометров могут лежать разные физические эффекты и явления, обеспечивающие им широкое разнообразие характеристик и конструкций [1]. Для прецизионных измерений малых угловых отклонений

характерных, в частности, для указанных выше объектов, широкое применение нашли маятниковые инклинометры (МИ). В них маятник - тело небольших размеров, подвешенное на гибкой нити к корпусу инклинометра, служит для задания опорного направления - «местной» вертикали, относительно которой определяется угловое отклонение объекта с расположенным на нем инклинометром. При заданной длине маятника значение угла отклонения определяется по известным координатам маятника относительно корпуса инклинометра, которые измеряются с помощью электронных или оптических датчиков линейных перемещений.

Известен волоконно-оптический маятниковый инклинометр [2], содержащий: чувствительный элемент (ЧЭ) в виде маятника (1), подвешенного на тонкой нити (2) к корпусу инклинометра (3), жестко связанному с контролируемым объектом; волоконно-оптический датчик (4) для измерения координат маятника (1) относительно корпуса (3), выполненный с возможностью подключения к блоку обработки сигналов (5), осуществляющего расчет угловых перемещений объекта с высокой точностью (достигающей 10^-9 рад ≈0,001 угл. сек.) посредством оптического кабеля (6). Указанный инклинометр за счет использования волоконно-оптической схемы для измерений и передачи данных характеризуется высокой помехозащищенностью и большой дистанционностью измерений, которые играют определяющую роль в задачах по контролю угловых отклонений удаленных объектов, находящихся в труднодоступных местах или в зонах с высоким уровнем электромагнитных помех. При этом, однако, существенно усложняются, или даже становятся невозможными периодические (плановые) поверки инклинометра на предмет его исправности и соответствия заданным техническим характеристикам. В ряде случаев такая поверка неосуществима даже в принципе, например, из-за отсутствия доступа к чувствительному элементу инклинометра, который может быть заложен (внедрен, замоноличен) непосредственно в «тело» массивного контролируемого объекта, например, в бетонную сваю сооружения или в плотину ГЭС. В ходе длительной эксплуатации МИ подвергается воздействию различных дестабилизирующих факторов непрогнозируемого характера (акустомеханические возмущения, вибрация; изменения параметров окружающей среды; необратимые процессы старения и деградации свойств материалов; нестабильность питания электронных схем и др.), которые могут значительно ухудшить точность измерений из-за возрастания шумов, а также могут изменить функцию преобразования инклинометра, например, из-за появления перекрестных связей между разными измерительными каналами. Это приводит к существенному недостатку инклинометра - неопределенности его основных метрологических характеристик, что диктует необходимость создания инклинометров с функцией самодиагностики.

Известен инклинометр [3], основанный на технологиях MEMS, в котором благодаря возможности самокалибровки обеспечена возможность функционирования в условиях воздействия различных дестабилизирующих факторов. Однако существенным недостатком MEMS - инклинометров является их недостаточная точность, которая, по крайней мере, на порядок хуже точности типичных маятниковых инклинометров, применяемых в настоящее время в промышленности [4].

Целью полезной модели является повышение достоверности результатов дистанционных измерений угловых перемещений с помощью маятникового инклинометра, которая достигается благодаря дистанционной калибровке и оценке порога чувствительности инклинометра в реальных условиях эксплуатации (без демонтажа его с контролируемого объекта).

Физической предпосылкой, обеспечивающей достижение поставленной цели, является весьма примечательное свойство чувствительного элемента, выполненного в виде маятника, позволяющее получить одно и то же значение координат маятника относительно корпуса МИ как за счет изменения ориентации корпуса относительно неподвижного (вертикального) маятника, так и за счет принудительного бесконтактного отклонения маятника от вертикали в условиях неподвижного корпуса. Первый случай соответствует режиму измерений, а второй, как показано в настоящей полезной модели, может быть использован для дистанционной калибровки инклинометра и оценки точности измерений.

Сущность полезной модели заключается в создании принудительного, дистанционного, бесконтактного отклонения маятника, выполненного из магнитного материала, от вертикали на точно заданный угол (β) за счет использования электромагнита, установленного на корпусе МИ и создающего в области нахождения маятника неоднородное (градиентное) магнитное поле (с напряженностью

, но (неоднородное магнитное поле) приводит к возникновению горизонтальной отклоняющей силы действующей на маятник, выполненный из материала с высокостабильными магнитными свойствами. При этом, для исключения искажений заданной структуры магнитного поля в области нахождения маятника, корпус МИ следует выполнить из немагнитного материала. Отклоняющая сила обусловлена действием неоднородного (градиентного) магнитного поля на магнитный момент маятника который индуцируется в нем при приложении магнитного поля: Указанное градиентное магнитное поле создается электромагнитом, который может быть выполнен, например, в виде кольцеобразно уложенных витков с электрическим током, расположенных на корпусе МИ, что позволяет варьировать напряженность поля (и, следовательно, силу за счет регулировки силы тока в витках.

Задачей настоящей полезной модели является создание простого по конструкции маятникового инклинометра с функциями дистанционной калибровки и оценки его пороговой чувствительности, которые осуществляются в реальных условиях эксплуатации инклинометра без демонтажа с объекта контроля.

Важно подчеркнуть, что поскольку принудительные угловые отклонения маятника (/?), необходимые для калибровки инклинометра, являются достаточно малыми

то эти отклонения могут быть созданы с помощью достаточно слабых отклоняющих сил. Это обстоятельство позволяет использовать маятники из магнитных материалов с достаточно слабыми магнитными свойствами (диамагнетики или парамагнетики), которые, при этом, характеризуются весьма высокой стабильностью магнитных свойств (слабой зависимостью от внешних условий и воздействий).

Технический эффект - повышение достоверности результатов измерений угловых перемещений достигается тем, что в отличие от известного устройства, в предлагаемом инклинометре, представленном на фиг. 1, 2:

1) маятник выполнен из магнитного материала;

2) корпус МИ служит одновременно также каркасом для размещения электромагнита, выполненного в виде двух плоских перпендикулярных друг другу витков с током, центры которых находятся на одном уровне с центром маятника (фиг. 1);

3) электромагнит, установленный на корпусе МИ, выполнен с возможностью подключения к регулируемому удаленному источнику тока посредством электрического кабеля.

Фиг. 1. Схема маятникового инклинометра с функцией дистанционной калибровки (а); здесь:

- направление вектора ускорения свободного падения («местная вертикаль»); сечение А-А (е); картина силовых линий неоднородного магнитного поля в плоскости сечения А-А; схема сил, приложенных к маятнику в условиях принудительного отклонения (с) где - вес маятника, - сила натяжения нити, - отклоняющая сила.

Фиг. 2. Качественный характер временных зависимостей выходных сигналов инклинометра V_xy(t) (кривые а, в) и угловых отклонений объекта α_xy(t) (кривые с, d) соответственно: до процедуры калибровки (t₀, t₁), в ходе калибровки (t_l, t₂) и после калибровки

Витки с током расположены таким образом, что при пропускании тока через них они создают в области нахождения маятника неоднородные магнитные поля

со значительными градиентами вдоль перпендикулярных осей ОХ, ОУ (фиг. 1с).

В указанных магнитных полях

маятник из магнитного материала приобретает магнитные моменты: которые приводят к возникновению горизонтальных отклоняющих градиентных сил: направленных, соответственно вдоль осей ОХ и ОУ - магнитная восприимчивость материала маятника). Принудительные угловые отклонения маятника β_х, β_y, обусловленные отклоняющими силами составляют, соответственно (фиг. Id): где Р - вес маятника (предполагается, что

Поскольку

то компоненты отклоняющих сил можно представить в виде: где k_1,2 - коэффициенты пропорциональности; I_1,2 - сила тока в витках.

Отметим, несколько забегая вперед, что алгоритм дистанционной калибровки инклинометра, предложенный в настоящей полезной модели, практически не нарушает режима непрерывных измерений (мониторинга), т.к. кратковременные изменения (ΔV_x, ΔV_y) выходных сигналов инклинометра (V_x, V_y), возникающие в ходе калибровки, являются строго детерминированными и обратимыми и, поэтому, могут быть легко учтены (исключены) в процессе обработки сигналов.

В предложенном инклинометре схема измерения угловых перемещений (α_x, α_у) включает: 1) чувствительный элемент в виде маятника из магнитного материала (1), подвешенного на тонкой нити (2) к корпусу (3); 2) волоконно-оптический датчик перемещений (4) для определения координат (X, У) маятника, которые связаны с измеряемыми углами отклонений соотношениями:

(L - длина маятника), при этом волоконно-оптический датчик перемещений выполнен с возможностью подключения к блоку обработки сигналов (5) посредством оптического кабеля (6); 3) блок коррекции (7), формирующий уточненные выходные данные (показания) инклинометра (α_х; α_у).

Схема для калибровки МИ путем создания заданных значений принудительных угловых отклонений (β_x, β_y) содержит электромагнит, реализованный в виде витков (8) провода с электрическими токами и выполненный с возможностью подключения к регулируемому, удаленному источнику тока (9) посредством электрического кабеля (10).

Дистанционная калибровка инклинометра производится с целью определения фактических значений характеристических параметров измерительной схемы МИ - коэффициентов преобразования (k_xx, k_yy) и перекрестных помех (k_xy, k_yx), связывающих выходные сигналы (V_x, V_y) с угловыми отклонениями (α_х, α_у) с помощью соотношений:

При известных значениях коэффициентов (k_xx, k_yy), (k_xy, k_yx) углы отклонения определяются по измеренным значениям выходных сигналов (V_x, V_y) с помощью соотношений:

Необходимость калибровки, т.е. определения текущих фактических значений коэффициентов (k_xx, k_yy), (k_xy, k_yx), продиктована тем, что при долговременной эксплуатации инклинометра в условиях воздействия дестабилизирующих факторов, помимо возрастания уровня шумов выходного сигнала на практике имеет место также заметный уход (дрейф) указанных коэффициентов преобразования от оптимальных, начальных значений (k_xx=1, k_yy=1), (k_xy=0, k_yx=0), соответствующих исправному, «идеальному» инклинометру (после поверки).

Если выходным сигналом инклинометра (V_x,y) является, например, электрическое напряжение, а угловые отклонения (α_xy) измеряются в радианах, то коэффициенты (k_xx, k_yy, k_xy, k_yx) имеют размерность В/рад., которая в дальнейшем изложении не будет указываться.

Полагаем, что процесс калибровки является достаточно коротким по времени, так что дополнительным угловым отклонением объекта за время калибровки можно пренебречь. Это условие на практике выполняется с большим запасом, т.к. длительность калибровки, в принципе, снизу ограничена лишь временем затухания возмущений маятника, проявляющихся в виде затухающих собственных колебаний маятника, длящихся не более нескольких периодов собственных колебаний.

Дистанционная калибровка осуществляется путем создания принудительных, точно заданных угловых отклонений маятника (1) (β_х, β_у), возникающих при пропускании электрического тока заданной величины через витки (8).

Пусть выходные сигналы инклинометра непосредственно перед калибровкой составляют (V_ox, V_oy), которые соответствуют некоторым истинным (но пока неизвестным) значениям угловых отклонений объекта (α_ох, α_оу), удовлетворяющим системе уравнений (1, 2) с неизвестными (пока) коэффициентами преобразования:

После подачи электрического тока в витки (8) полные углы отклонения равны (α_ох+β_х; α_оу+β_y), при этом выходные сигналы составляют (V_ox+ΔV_x; V_oy+ΔV_y):

Из соотношений (5-8) следует, что измеренные приращения сигналов (ΔV_x, ΔV_y) и заданные, принудительные углы отклонения (β_х, β_у) связаны соотношениями:

Поскольку необходимо определить четыре неизвестных коэффициента (k_xx, k_yy, k_xy, k_yx), то для получения нужного количества (четырех) уравнений следует реализовать два набора принудительных угловых отклонений

и с соответствующими приращениями которые связаны соотношениями, представленными в «каноническом» виде:

Если указанные наборы угловых отклонений

выбраны таким образом, что матрица (М):

имеет ненулевой детерминант det М≠0, то система уравнений (11-14) имеет единственное решение в виде искомого набора коэффициентов (k_xx, k_yy, k_xy, k_yx).

С учетом фактического уровня шумов (флуктуаций) выходных сигналов (ΔV_шх, ΔV_шу), характеризующихся среднеквадратическими отклонениями:

для обеспечения достаточной точности вычислений указанных коэффициентов принудительные отклонения (β_х, β_у) следует выбрать таким образом, чтобы наряду с условием det М≠0 обеспечить также выполнение соотношений т.е. приращения сигналов вследствие принудительных отклонений должны существенно превышать уровень шумов.

В соответствии с выражениями (3, 4), среднеквадратические отклонения

измеренных угловых перемещений составляют:

В предположении нормального закона распределения флуктуаций значений угловых перемещений предельные погрешности измерения угловых перемещений (Δ_ху) могут быть оценены как:

и, соответственно, с вероятностью не менее 99% результаты измерений угловых перемещений будут находиться в пределах интервалов: - средние значения угловых перемещений.

Качественный характер временных зависимостей выходных сигналов инклинометра (V_x, V_y) и измеренных средних значений угловых перемещений

включая режим калибровки, представлен на фиг. 2.

Таким образом, предложенная в настоящей полезной модели процедура дистанционной калибровки позволяет определить уточненные параметры (коэффициенты преобразования) функции преобразования инклинометра и получить оценки фактических значений погрешности измерений инклинометра без прекращения непрерывного режима мониторинга и без демонтажа МИ с контролируемого объекта.

Важно подчеркнуть, что магнитное поле Земли ввиду его достаточно слабой неоднородности не приводит к появлению заметной градиентной отклоняющей силы и, следовательно, не приводит к заметной погрешности при калибровке МИ.

Возможность создания принудительных угловых отклонений маятника с помощью неоднородного магнитного поля была подтверждена экспериментально. В частности, было установлено, что при пропускании электрического тока с силой 5А через проволочный плоский вертикальный виток с радиусом 3 мм, угловое отклонение маятника в виде алюминиевого шарика (магнитная восприимчивость = 2,1⋅10) с диаметром 2 мм, подвешенного на нити с длиной L=3 см и расположенного на расстоянии 6 мм от центра витка (по горизонтали), составляет

которого вполне достаточно для осуществления предложенной дистанционной калибровки МИ.

Отметим, что предложенная дистанционная калибровка МИ, в принципе, может производиться в автоматическом режиме через заданные интервалы времени, что обеспечит достоверность результатов измерений в течении всего срока эксплуатации инклинометра. Также отметим, что предложенное устройство дистанционной калибровки на основе электромагнита может быть использовано в разных типах маятниковых инклинометров - электромеханических, оптомеханических и волоконно-оптических, где роль маятника (физического) играет сегмент волоконного световода [5], который может быть выполнен с никелевым покрытием, обладающим магнитными свойствами.

Реферат

Заявленное устройство относится к измерительной технике, а именно к датчикам угловых перемещений - маятниковым инклинометрам, и может быть использовано, например, в системах мониторинга несущих конструкций строительных сооружений, антенн сотовой связи. Повышение достоверности результатов измерений в предлагаемом маятниковом инклинометре достигается за счет дистанционной калибровки инклинометра, позволяющей определить текущие параметры его функции преобразования и оценить основную погрешность измерений без нарушения режима измерений и демонтажа инклинометра с контролируемого объекта. Указанная калибровка осуществляется за счет использования электромагнита, расположенного на корпусе инклинометра и выполненного с возможностью подключения к регулируемому, удаленному источнику тока посредством электрического кабеля, что позволяет создавать в области нахождения маятника, выполненного из магнитного материала, неоднородное (градиентное) магнитное поле, и тем самым, реализовать заданные значения угловых отклонений маятника от вертикали и установить точный вид функции преобразования инклинометра, а также оценить основную погрешность измерений инклинометра без демонтажа его с контролируемого объекта.Маятниковый инклинометр содержит: чувствительный элемент в виде маятника из магнитного материала, подвешенного на тонкой нити к корпусу инклинометра; двухкоординатный датчик линейных перемещений для определения координат (X,У) маятника относительно корпуса, выполненный с возможностью подключения к блокам обработки и коррекции сигналов посредством оптического кабеля; электромагнит в виде кольцеобразно уложенных витков, расположенных на корпусе, выполненный с возможностью подключения к регулируемому удаленному источнику тока посредством электрического кабеля.Технический результат - повышение достоверности результатов измерений, который достигается в условиях отсутствия доступа к инклинометру и без демонтажа инклинометра с контролируемого объекта.

Формула