ДАТЧИК УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ
ANGULAR POSITION SENSOR

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в системах контроля и управления подвижными объектами, а также в приборах охранной сигнализации.
7
Известен двухкоординатный датчик угла наклона [патент РФ №2191988, МПК G01C 9/10, опубл. 27.10.2002], содержащий электропроводный шар, размещенный на электропроводящем осесимметричном подпятнике в герметичном корпусе, залитом диэлектрической жидкостью. При этом шар с подпятником образуют физический маятник. Шар охватывают две пары электропроводящих обкладок, изолированных от корпуса. Принцип работы датчика основан на измерении емкостными преобразователями перемещений шара, вызванных наклоном датчика относительно горизонта по двум координатам.
Недостатки известного датчика - измерение улов наклона только в диапазоне от 0 до 30°, необходимость начальной горизонтальной выставки, отсутствует обеспечение компенсации температурного изменения объема жидкости - ограничивают области применения датчика.
Известен датчик угла наклона [патент РФ №2178547, МПК G01С 9/20, опубл. 20.01.2002], содержащий две плоскопараллельные диэлектрические пластины, на одной из сторон которых выполнены электроды. Пластины соединены между собой с образованием герметичной полости, которая частично заполнена жидкостью.
Датчик измеряет углы наклона от 0 до 360°, однако только по одной координате, то есть для получения информации о полном угловом положении объекта, на котором он установлен, относительно горизонтальной плоскости необходимо использовать уже два датчика. Данное обстоятельство также может ограничивать область применения датчика.
7
Известен датчик угла отклонения объекта от горизонтального положения [патент РФ №2215992, МПК G01С 9/20, 9/06, опубл. 10.11.2003], содержащий два общих и два выходных электрода, общие электроды образуют герметичный корпус. Выходные электроды изолированы от корпуса и образуют с общими электродами дифференциальный конденсатор. Внутренняя полость датчика заполнена неэлектропроводной жидкостью.
Датчик обеспечивает измерение углов в диапазоне от 0 до ±90° только по одной координате и требует начальной горизонтальной выставки, что также ограничивает область его применения.
Известен датчик угла наклона [патент РФ №2475703, МПК G01С 9/18, опубл. 20.02.2013], содержащий корпус с двумя плоскопараллельными пластинами с выполненными на них электродами, образующий внутреннюю цилиндрическую полость, частично заполненную неэлектропроводной жидкостью. Электроды размещены на внешней поверхности пластин.
Датчик измеряет углы наклона только по одной координате, то есть для получения информации об угловом положении объекта, на котором он установлен, относительно горизонтальной плоскости необходимо два датчика. Кроме того, из-за возможности «расплескивания» поверхностного слоя жидкости датчик обеспечивает надежную работу только на объектах, не подвергаемых воздействию значительных ударов и вибрации. Данные обстоятельства ограничивают область применения датчика.
Известно устройство для измерения угла наклона - датчик углового положения [авторское свидетельство СССР №1137298, МПК G01C 9/36, опубл. 30.01.1985], содержащий полый сферический корпус, частично заполненный электропроводящей жидкостью, внутри которого установлены четыре электрода в виде сферических сегментов, электрически соединенных с токовыводами, закрепленными через изоляторы в корпусе.
Данное устройство имеет ограниченный диапазон измерения углов наклона, также из-за возможности «расплескивания» поверхностного слоя жидкости устройство возможно эффективно использовать только на объектах, не подвергаемых воздействию значительных ударов и вибрации. Также устройство требует определенную начальную установку (выставку) на объекте использования. Электропроводящая жидкость, заполняющая внутренний объем устройства, может вызывать коррозию контактирующих с нею деталей, что сокращает срок эксплуатации устройства в целом.
Данное устройство для измерения угла наклона - датчик углового положения - рассматривается в качестве прототипа.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в создании датчика углового положения, обеспечивающего получение информации об угловом положении относительно горизонтальной плоскости без ограничения диапазона углов наклона и не требующего обязательной начальной выставки, работоспособного на объектах, подвергаемых ударным и вибрационным воздействиям.
Указанный технический результат достигается тем, что в датчике углового положения, содержащем полый сферический корпус, частично заполненный жидкостью, внутри которого установлены электроды, электрически соединенные с закрепленными в корпусе токовыводами, согласно изобретению в корпусе, выполненном с электропроводящей внутренней сферической поверхностью, установлено закрепленное на токовыводах концентрично внутренней поверхности корпуса сферическое тело из диэлектрического материала, электроды выполнены в виде равномерно размещенных на внешней поверхности сферического тела шести одинаковых по форме и площади электропроводящих площадок, каждая из которых электрически соединена с соответствующим ей токовыводом, при этом между электропроводящими площадками на сферическом теле выполнены несоединенные между собой выступы, разделяющие внутреннюю полость датчика до внутренней поверхности корпуса с образованием зазоров, обеспечивающих перетекание жидкости при изменении углового положения датчика, причем жидкость имеет высокую диэлектрическую проницаемость.
Конструктивное выполнение датчика с установкой в корпус, выполненный с электропроводящей внутренней сферической поверхностью, закрепленного на токовыводах концентрично внутренней сферической поверхности корпуса, сферического тела из диэлектрического материала, выполнение электродов в виде равномерно размещенных на внешней поверхности сферического тела шести одинаковых по форме и площади электропроводящих площадок, каждая из которых электрически соединена с соответствующим ей токовыводом, частичное заполнение внутренней полости датчика жидкостью с высокой диэлектрической проницаемостью дает возможность по измерению емкостными преобразователями, сформированными внутренней электропроводящей сферической поверхностью корпуса и электропроводящими площадками на сферическом теле, площади контакта электропроводящих площадок с диэлектрической жидкостью, поверхность которой горизонтальна при любом пространственном угловом положении, получать полную информацию об этом угловом положении датчика и соответственно объекта, в котором он установлен. Высокая диэлектрическая проницаемость жидкости обеспечивает высокую чувствительность даже при малых габаритах датчика. Равномерное размещение на сферическом теле шести одинаковых по форме и площади электропроводящих площадок также позволяет не проводить обязательную начальную горизонтальную выставку датчика, то есть заявляемый датчик может применяться на объектах с произвольным начальным угловым положением и с углами поворота в пространстве вокруг любой координатной оси без ограничений. Указанная особенность позволяет применять датчик, например, в приборах охранной сигнализации для нестационарных объектов. Количество электропроводящих площадок (равное шести) оптимально достаточно для построения дифференциальных схем измерения емкостных преобразователей в любом пространственном положении датчика.
Выполнение между токопроводящими площадками на сферическом теле разделяющих внутреннюю полость датчика выступов исключает чрезмерное «расплескивание» поверхностного слоя жидкости во внутренней полости датчика при ударных и вибрационных воздействиях. Выполнение выступов не соединенными между собой и наличие зазоров до внутренней сферической поверхности корпуса, обеспечивающих перетекание жидкости при изменении углового положения датчика, предотвращает образование воздушных «карманов» ниже уровня жидкости, которые могут исказить результат измерения.
Наличие в заявленном изобретении предложенной совокупности признаков, существенно отличающих его от прототипа, позволяет его считать соответствующим условию "новизна".
А каждый из отличительных признаков совокупности со всей очевидностью не следует из уровня техники (не выявлено решений, имеющих признаки, совпадающие с отличительными признаками рассматриваемого изобретения), что является доказательством наличия изобретательского уровня в предложении.
Изобретение иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 приведен общий вид датчика углового положения (в разрезе).
На фиг. 2 - внешний вид сферического тела с электропроводящими площадками и выступами.
Датчик углового положения (фиг. 1) содержит корпус 1 с внутренней сферической поверхностью 2. Электропроводность внутренней сферической поверхности 2 обеспечивается выполнением корпуса 1 из металла или при выполнении корпуса 1 из диэлектрического материала нанесением на эту поверхность электропроводящего покрытия. В корпусе 1 установлены на изоляторах 3 токовыводы 4, которые удерживают выполненное из диэлектрического материала сферическое тело 5 с равномерно размещенными на внешней поверхности шестью одинаковыми по форме и площади электропроводящими площадками 6.
Между электропроводящими площадками 6 на сферическом теле 5 (фиг. 2) выполнены разделяющие внутреннюю полость датчика не соединенные между собой выступы 7 с зазорами а (фиг. 1) до внутренней сферической поверхности 2, обеспечивающими перетекание жидкости при изменении углового положения датчика. Через трубки 8 внутренний объем датчика заполнен на половину жидкостью с высокой диэлектрической проницаемостью 9, например полиметилсилоксановой жидкостью с малой вязкостью (типа ПМС-5 ГОСТ 13032-77 с рабочим диапазоном температур от минус 60 до плюс 200°С). Жидкость выбирается в соответствии с требуемым температурным диапазоном эксплуатации датчика. Трубки 8 после заполнения датчика обжимаются и герметично завариваются. Для обеспечения собираемости датчика корпус 1 выполнен составным, например из двух половинок, герметично соединенных сваркой (для металлического корпуса) или склеиванием (для корпуса из диэлектрического материала).
Внутренняя электропроводящая сферическая поверхность 2 и электропроводящие площадки 6 на сферическом теле 5 образуют систему шести конденсаторов (емкостных преобразователей) с общей обкладкой, емкость которых зависит от объема жидкости 9 в зонах электропроводящих площадок 6. Этот объем жидкости в свою очередь зависит от углов наклона датчика. Токовыводы 4 и корпус 1 соединяются с измерительной схемой (не показано).
Датчик углового положения закрепляется на объекте использования и работает следующим образом.
При изменении углового положения датчика жидкость 9, заполняющая его объем, не меняет своего пространственного положения (сохраняет горизонтальность поверхности), то есть при этом меняется площадь контакта электропроводящих площадок 6 с жидкостью 9. Следовательно, обязательно меняется и измеряемая емкость хотя бы двух диаметрально расположенных емкостных преобразователей. Из-за равномерного (симметричного) расположения электропроводящих площадок 6 емкость одного преобразователя уменьшится, а диаметрально расположенного увеличится, как следствие этого обеспечивается дифференциальная схема подключения емкостных преобразователей. А высокая диэлектрическая проницаемость жидкости 9 обеспечит высокую чувствительность датчика даже при малых размерах электропроводящих площадок 6, а следовательно, и датчика в целом.
Величиной зазоров а и шириной пазов б между соседними выступами 7 возможно при необходимости обеспечивать требуемую временную задержку срабатывания датчика, примененного, например, в составе охранной системы сигнализации (если такое требование предъявляется).
Наличие между соседними выступами 7 пазов б вследствие выполнения выступов 7 не соединенными между собой предотвращает образование воздушных «карманов» ниже уровня жидкости, которые могут исказить результат измерения при изменении углового положения датчика.
Симметричная конструкция датчика с равномерным размещением на сферическом теле 5 шести одинаковых по форме и площади электропроводящих площадок 6 позволяет применять его на объектах с произвольным начальным угловым положением и с углами поворота в пространстве вокруг любой координатной оси без ограничений, что особенно актуально в приборах охранной сигнализации для нестационарных объектов, в которых требуется обеспечивать работоспособность при различных угловых положениях охраняемого объекта, то есть без проведения обязательной начальной горизонтальной выставки датчика на объекте после очередного возможного изменения его углового положения.
Таким образом, применение заявляемого датчика углового положения обеспечивает получение информации об угловом положении относительно горизонтальной плоскости без ограничения диапазона углов наклона, не требует обязательной начальной выставки, обеспечивает работоспособность на стационарных и нестационарных объектах, в том числе на подвергаемых ударным и вибрационным воздействиям, упрощает эксплуатацию и расширяет область применения.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в системах контроля и управления подвижными объектами, а также в приборах охранной сигнализации объектов, подвергаемых ударным и вибрационным внешним воздействиям;
- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при осуществлении, способно обеспечить получение информации об угловом положении относительно горизонтальной плоскости без ограничения диапазона углов наклона, работоспособность на стационарных и нестационарных объектах, в том числе на подвергаемых ударным и вибрационным воздействиям, упростить эксплуатацию и расширить область применения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».