УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВ ПОВОРОТА
DEVICE FOR MEASURING ANGLE OF ROTATION

Изобретение относится к приборам для измерения углов поворота или наклона относительно вертикали различного рода стационарных и подвижных объектов.
Известны термические датчики для измерения угловых перемещений, в основу построения которых положено воздействие угловых перемещений на условия теплоотдачи нагретого тела. Результатом этого воздействия является изменение температуры тела, которое может быть легко преобразовано в изменение электрической величины.
Примером подобного класса устройств являются измерители углов с термодатчиками угловых перемещений со свободной конвекцией [1]. Большим их достоинством является простота реализации, обусловленная отсутствием в их конструкции взаимно перемещающихся электромеханических элементов, обеспечивающая возможность их миниатюризации, надежность и возможность построения измерителей поворотного типа.
Известное подобного класса устройство для измерения угла наклона [1] содержит термический преобразователь, источник напряжения и измерительную схему, причем термопреобразователь содержит два источника тепла в виде двух расположенных рядом и жестко связанных с объектом первого и второго термосопротивлений, включенных последовательно соответственно в первое и второе плечи мостовой схемы, третьим и четвертым плечом которой являются последовательно соединенные первый и второй постоянные резисторы, первая диагональ мостовой схемы подключена к источнику напряжения, а вторая - к измерительной схеме, причем термосопротивления расположены в вертикальной плоскости поворота так, чтобы при повороте в этой плоскости одно из них омывалось тепловыми потоками другого.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
В исходном состоянии нагретые источники тепла температурного преобразователя протекающим по ним током от источника напряжения имеют одинаковые сопротивления, равные сопротивлениям постоянных резисторов мостовой схемы. Следовательно, в данном случае мостовая схема находится в скомпенсированном состоянии, характеризуемом отсутствием напряжения во второй (выходной) диагонали мостовой схемы. При повороте нагретых источников тепла относительно вертикали происходит изменение их взаимного положения, вследствие чего происходит изменение теплоотдачи, вызванной движением теплового потока воздуха (газа) в вертикальном направлении снизу вверх. В процессе теплоотдачи происходит охлаждение одного термосопротивления и нагрев другого, приводящие к изменению их сопротивлений, а следовательно, к изменению напряжения в выходной диагонали мостовой схемы, измеряемого измерительной схемой. Величина этого напряжения зависит от угла поворота жестко связанных термосопротивлений относительно вертикали. Таким образом, по результатам измерения измерительной схемой напряжения во второй диагонали мостовой схемы определяется угол поворота или наклона объекта относительно вертикали.
Стабильность характеристик преобразования данной схемы определяется стабильностью источника напряжения и в значительной степени зависит также от условий нагрева нагревателей. При измерении угла поворота в вертикально ориентированной прямоугольной системе координат, характеристики преобразования в диапазонах изменения угла от 0° до 180° и от 0° до -180° противоположны по знаку и знакопостоянны в каждом диапазоне. Знакопостоянство характеристик преобразования исключает возможность различия квадрантов. Данное обстоятельство исключает возможность определения всех квадрантов нахождения измеряемого полного угла поворота в указанных диапазонах его изменения, а следовательно, ограничивает измерения диапазоном преобразования измеряемого угла от 0° до ±90°.
Недостатками данного устройства являются низкая точность измерения угла, обусловленная нестабильностью источника напряжения, параметров температурного преобразователя и условий измерения, а также ограниченный диапазон измерения угла.
Исключение указанных недостатков обеспечивается в известном устройстве для измерения угла поворота [2], являющемся наиболее близким по технической сущности к предлагаемому и выбранном в качестве прототипа. Устройство содержит термопреобразователь с нагревателем, подключенным к источнику напряжения (тока), и измерительную цепь, нагреватель выполнен в виде стержня цилиндрической формы с продольной осью X, ориентированной перпендикулярно вертикальной плоскости поворота и проходящей через начало (О) собственной системы координат термопреобразователя жестко связанной с объектом, при этом в термопреобразователе две пары термодатчиков расположены в вертикальной плоскости поворота, термодатчики первой и второй пар расположены соответственно на нормальной Y и поперечной Z осях, на одинаковых расстояниях от начала О системы координат OXYZ термопреобразователя, причем измерительная цепь содержит два дифференциальных усилителя и вычислительное устройство, первый и второй аналоговые входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго дифференциальных усилителей, входы которых подключены дифференциально к выходам соответственно первой и второй пар термодатчиков термопреобразователя.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
о
o
o
o
o
о
о
o
o
o
o
o
Из предположения жесткой связи осей X, Y, Z прямоугольной системы координат термопреобразователя соответственно с продольной, нормальной и поперечной осями объекта, на котором установлено предлагаемое устройство, угол поворота α объекта определяется углом поворота осей Y, Z вертикальной плоскости поворота вокруг продольной оси Х относительно соответствующих осей Y, Z опорной ортогонально ориентированной в пространстве системы координат X, Y, Z, ось Х которой совпадает с продольной осью Х нагревателя. Нагреватель, питаемый током от источника напряжения, используется в качестве нагретого тела для нагревания окружающего воздуха. Распределение температуры воздуха в окружающем нагреватель пространстве в основном определяется свободной конвекцией потока тепла, то есть направленным вертикальным перемещением снизу вверх теплового потока нагретого от нагревателя воздуха. При равномерном нагреве всей поверхности нагревателя по всей его длине обеспечивается вертикальное направление результирующего температурного градиента. Цилиндрическая форма нагревателя обеспечивает постоянство его круглой формы профиля при различных поворотах вокруг продольной оси X, что, в свою очередь, при равномерном и стабильном нагревании всей поверхности нагревателя обеспечивает независимо от угла поворота, постоянные вертикальное направление и модуль результирующего температурного градиента вдоль вертикальной оси Y. Стабильность модуля температурного градиента в значительной степени обеспечивается стабильностью источника напряжения и постоянством условий нагрева. Взаимно ортогональным расположением двух пар точечных термодатчиков образуются взаимно ортогональные термочувствительные оси, совпадающие с геометрическими осями Y, Z, используемые для измерения скалярных составляющих вертикального температурного градиента. Эти составляющие зависят от угла поворота этих осей в вертикальной плоскости относительно осей Y, Z опорной системы координат OXYZ. Измерение составляющей температурного градиента вдоль выбранной оси определяется разностью температур измеряемых термодатчиками, установленными на соответствующей оси. Определение разности температур осуществляется с помощью дифференциальных усилителей. Значение температуры в точках расположения термодатчиков при их вращении по окружности в вертикальной плоскости вращения является результатом суммирования температуры от излучательного тепла нагревателя и температуры от вертикально направленного нагретого им теплового потока. Температуры от излучательного тепла в симметрично расположенных точках относительно продольной оси Х нагревателя одинаковы, поэтому результат разности их значений равен нулю. Разность температур в указанных точках зависит от температур вертикально направленного теплового потока, омывающего термодатчики, расположенные в точках измерения. По абсолютным значениям измеренных разностей температур можно определить значения положительных острых углов (в пределах от 0° до 90°). По знакам этих величин определяются квадранты нахождения измеряемого угла поворота α. Значения углов поворота определяются с помощью вычислителя или специального преобразователя угла поворота в код. В диапазоне вращения осей от 0 до ±2πn (n=±1, ±2, …) выражения разностей температур, по соответствующим термочувствительным осям Z, Y являются непрерывными периодическими функциями с периодом повторения 2π и постоянным амплитудным значением. Определение угла α по результатам измерения выходных напряжений дифференциальных усилителей осуществляется по значению положительного острого угла α, определяемого, например, по абсолютным значениям одного из этих напряжений и номеру квадранта нахождения угла α, определяемого по значениям полярности этих напряжений. Определение острого угла осуществляется по градуировочной характеристике в диапазоне
0<α<π/2.
Недостатком данного варианта определения угла α является возможное влияние нестабильности параметров нагревательного элемента, термодатчиков и условий измерения. Для исключения влияния указанных дестабилизирующих факторов, острый угол α в данном случае определяется в виде функции отношения выходных напряжений дифференциальных усилителей. Результат измерения угла определяется в вычислителе по арктангенсной зависимости угла от этого отношения и квадранту нахождения измеряемого угла.
Недостатком данного устройства, а также вышеуказанных аналогов, является отсутствие возможности одновременного измерения углов поворота объекта относительно вертикали в продольном и поперечном направлениях. Примером таких необходимых измерений является одновременное определение продольных и поперечных кренов подвижных и стационарных объектов.
Техническим результатом, достигаемым при использовании предлагаемого технического решения, является расширение функциональной возможности устройства, обеспечивающей одновременное измерение продольных и поперечных углов поворота относительно вертикали.
Указанный результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве для измерения угла поворота (наклона) объекта, содержащем жестко связанный с объектом термопреобразователь с нагревателем, подключенным к источнику напряжения (тока) и измерительную цепь, в термопреобразователе две пары точечных термодатчиков расположены по соответствующим им взаимно ортогональным осям прямоугольной системы координат OXYZ, причем термодатчики первой и второй пар расположены соответственно на нормальной Y и поперечной Z осях, на одинаковых расстояниях от начала О системы координат, измерительная цепь содержит два дифференциальных усилителя и вычислительное устройство, первый и второй аналоговые входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго дифференциальных усилителей, входы которых подключены дифференциально к выходам соответственно первой и второй пар термодатчиков термопреобразователя, дополнительно введена в термопреобразователь третья пара термодатчиков, расположенных по продольной оси Х на таких же одинаковых расстояниях от начала О системы координат, как и термодатчики первой и второй пар, измерительная цепь снабжена третьим дифференциальным усилителем, входы которого подключены дифференциально к выходам третьей пары термодатчиков термопреобразователя, а выход подключен к третьему аналоговому входу вычислительного устройства, причем нагреватель выполнен в виде тела сферической формы (шарика), геометрический центр которого совмещен с началом О системы координат OXYZ.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется показанной на чертеже структурной схемой устройства для измерения углов поворота.
Предлагаемое устройство содержит термопреобразователь 1 с нагревателем 2, подключенным к источнику напряжения (тока) 3, и измерительную цепь 4, при этом в термопреобразователе 1 три пары точечных термодатчиков 5-8, 12, 13, например, в виде термопар, расположены по соответствующим взаимно ортогональным осям X, Y, Z, на одинаковых расстояниях от точки пересечения О этих осей, образующих прямоугольную систему координат OXYZ, причем термодатчики 5, 6 первой пары расположены на нормальной оси Y, термодатчики 7, 8 второй пары расположены на поперечной оси Z, термодатчики 12, 13 третьей пары расположены на продольной оси X, а измерительная цепь 4 содержит три дифференциальных усилителя 9, 10, 14 и вычислительное устройство 11, первый, второй и третий аналоговые входы которого подключены соответственно к выходам первого, второго и третьего дифференциальных усилителей 9, 10, 14, входы которых подключены дифференциально к выходам соответственно первой, второй и третьей пар термодатчиков 5-8, 12, 13 термопреобразователя 1, нагреватель 2 выполнен в виде тела сферической формы (шарика), геометрический центр которого расположен в начальной точке О прямоугольной системы координат OXYZ, оси которой жестко связаны с соответствующими осями объекта, на котором установлено предлагаемое устройство.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Из предположения жесткой связи осей X, Y, Z прямоугольной системы координат термопреобразователя соответственно с продольной X, нормальной Y и поперечной Z осями объекта, на котором установлено предлагаемое устройство, поворот объекта относительно вертикали характеризуется поворотом осей системы координат OXYZ термопреобразователя 1 относительно осей опорной прямоугольной системы координат OXYZ, вертикально ориентированной осью Y в пространстве, ось X которой связана с проекцией оси Х на горизонтальную плоскость, содержащую оси Х, Z. В данном случае повороты объекта в продольном и поперечном направлениях определяются соответственно углами тангажа и крена. Угол тангажа υ - это угол между осью Х и проекцией X на плоскость горизонта. Угол крена γ - это угол между осью Z и линией пересечения плоскости горизонта с плоскостью, содержащей оси Y, Z. Результаты измерения углов крена и тангажа используются, например, в системе навигации подвижного объекта. Нагреватель, питаемый током от источника напряжения, используется в качестве нагретого тела для нагревания окружающего воздуха. Распределение температуры воздуха в окружающем нагреватель пространстве в основном определяется свободной конвекцией потока тепла, то есть направленным вертикальным перемещением снизу вверх теплового потока нагретого от нагревателя воздуха. Сферическая форма нагревателя 2, обладающая геометрической симметрией относительно вертикальной оси Y, проходящей через центр шарика при равномерном нагреве всей его поверхности, обеспечивает вертикальное направление результирующего температурного градиента вдоль вертикальной оси Y при различных углах поворота температурного преобразователя относительно этой оси. Стабильность модуля температурного градиента в значительной степени обеспечивается стабильностью источника напряжения и постоянством условий нагрева. Взаимно ортогональным расположением трех пар точечных термодатчиков образуются взаимно ортогональные термочувствительные оси, совпадающие с геометрическими осями X, Y, Z, используемые для измерения скалярных составляющих вертикального температурного градиента. Эти составляющие зависят от углов поворота этих осей относительно осей опорной системы координат OXYZ. Измерение составляющей температурного градиента вдоль выбранной оси определяется разностью температур измеряемых термодатчиками, установленными на соответствующей оси. Значение температуры в точках расположения термодатчиков является результатом суммирования температуры от излучательного тепла нагревателя и температуры от вертикально направленного нагретого им теплового потока. Температуры от излучательного тепла в симметрично расположенных точках относительно центра О нагревателя одинаковы, поэтому результат разности их значений равен нулю. Следовательно, разность температур в указанных точках зависит только от температуры вертикально направленного теплового потока, омывающего термодатчики, расположенные в точках измерения.
y
z
x
Определение разности температур в виде аналоговых эквивалентов U, U, U осуществляется с помощью соответствующих дифференциальных усилителей. 9, 10, 14. В вычислительном устройстве 11 эти напряжения преобразуются с помощью встроенного аналого-цифрового преобразователя в цифровые эквиваленты, используемые там же для определения углов поворота υ и γ.
x
y
z
о
Для определения углов υ и γ применим метод векторных преобразований. Необходимым условием определения указанных углов в данном случае является обеспечение условия ортогональности функций, представленных напряжениями U, U, U в прямоугольной системе координат OXYZ, являющимися аналоговыми эквивалентами проекций на оси X, Y, Z результирующего температурного градиента, направленного по вертикальной оси У. Условие ортогональности определяется выражением
,
yo
о
где U - аналоговый эквивалент модуля температурного градиента, равный по значению его проекции на вертикальную ось Y.
Условие ортогональности обеспечивается выбором и реализацией параметров термопреобразователя 1. Заметно определяющей реализацией параметров в данном случае является обеспечение максимального отношения расстояния между термодатчиками каждой пары к радиусу сферической поверхности нагревателя 2. Очевидно идеальным вариантом реализации является исполнение нагревателя 2 в виде точечного источника тепла.
x
y
z
Для термопреобразователя аналоговые эквиваленты U, U, U компонент температурного градиента в виде проекций на оси системы координат OXYZ, то есть в координатах объекта, можно представить в матричном виде
xo
уo
zo
o
o
o
где U, U, U - компоненты температурного градиента в координатах опорной системы координат OXYZ;
xo
уo
zo
o
o
o
x
y
z
А - матрица преобразования (поворота) проекций U, U, U температурного градиента опорной системы координат OXYZ в проекции U, U, U, связанной с осями объекта системы координат OXYZ.
о
o
о
o
o
o
Выбор опорной подвижной системы координат, предполагающей расположение осей Х, Z в плоскости горизонта и совпадение оси Х с проекцией продольной оси Х, связанной с объектом системы координат OXYZ на плоскость горизонта, предполагает равенство нулю угла рыскания. Следовательно, взаимное положение систем OXYZ и OXYZ характеризуется в данном случае двумя эйлеровыми углами: крена γ и тангажа υ, причем при равенстве нулю угла рыскания согласно [3] или [4] имеем
о
o
xo
zo
Для вертикально направленного вектора, то есть температурного градиента в опорной системе координат, его проекции на оси Х и Z равны нулю (U=0, U=0). Таким образом, выражение (1) с учетом (2) представим в следующем виде:
Выполнив операцию умножения матриц в правой части выражения (3), получим следующую систему трех уравнений с двумя неизвестными υ и γ, определяющими повороты системы OXYZ
Решение данной системы уравнений осуществляется в вычислительном устройстве 11, например, в виде выражений
уo
Выражения (5), (6) в отличие от выражения (4) не зависят от параметра U, требующего специального режима его измерения при υ=0 и γ=0.
Одним из возможных вариантов конструктивного исполнения шарообразного нагревателя 2 является изготовление его сферической поверхности из металла с высокой теплопроводностью со встроенной внутри нее, например, микроспиралью, подключенной к выходам источника напряжения 3. Высокая теплопроводность обеспечивает в данном случае равномерный нагрев всей поверхности нагревателя. Возможен также вариант изготовления сферического пленочного нагревателя, напыляемого на шарообразной подложке.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивая возможность измерения углов поворота объекта в продольном и поперечном направлениях, обладает новизной, полезностью и реализуемостью.
Литература
1. Агейкин Д.И., Костина Е.Н., Кузнецова Н.Н. Датчики контроля и регулирования. - М.: Машиностроение, 1965 г. С.251-253.
2. Решение о выдаче патента на изобретение по заявке №2008145468 от 19.11.08 "Устройство для измерения угла поворота".
3. Ривкин С.С. Статистический синтез гироскопических устройств. Л.: Судостроение, 1970 г. С.74.
4. Ривкин С.С. Стабилизация измерительных устройств на качающемся основании. М.: Наука, 1978 г. С.21.