МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ ДВУХКООРДИНАТНЫЙ НАКЛОНОМЕР
MAGNETOSTRICTIVE TWO-COORDINATE TILTMETRE

Предлагаемое изобретение относится к устройствам измерения и контроля отклонения от вертикали объектов и может быть использовано при их ориентации в пространстве в условиях гравитационных сил.
Известен двухкоординатный датчик угла отклонения от вертикали по патенту RU №2175755, G01C 9/18, приор. 1998.01.26, опубл. 2001.11.10, содержащий корпус со сферической камерой с несмешивающимися жидкостями с разными плотностями в двух равных частях, по два источника и приемника ультразвуковых колебаний, расположенных под определенными углами к отражающей границе двух разнородных сред камеры, электронный генератор и два измерительных канала по каждой координате Х и Y, включающие модуль предварительной обработки сигналов и амплитудный детектор.
Применение ультразвуковой эхолокации в сферической камере двухкоординатного датчика через отражающую поверхность двух несмешиваемых рабочих жидкостей ограничивает точность и разрешающую способность вследствие неоднородности отражения падающих волн на границу раздела сред. Кроме того, расположение источников и приемников ультразвуковых колебаний под прямым углом друг относительно друга ограничивает динамический диапазон преобразования. Выходными сигналами известного устройства являются аналоговые величины, что затрудняет его непосредственное использование в составе цифрового устройства или системы. Все это ограничивает область его использования.
Известен ультразвуковой наклономер по патенту SU №1811265, G01C 9/18, опубл. 18.06.91, состоящий из кольцевого магнитострикционного звукопровода, поводка с подвижным поляризующим магнитом, закрепленного на шарнире, акустического поглотителя, акустического отражателя, сосредоточенного элемента считывания, блока кодирования и вычислений, шины управления и шин знака и кода угла наклона.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является известный наклономер по патенту RU №2035693, G01C 9/16, G01B 17/00, приор. 1991.06.18, опубл. 1995.05.20, выбранный в качестве прототипа. Устройство содержит кольцевой звукопровод с волновым отражателем и акустическим демпфером, два электроакустических преобразователя и поляризующих магнита, размещенных на подвижном поводке с противовесом, два усилителя считывания, генератор опроса, усилитель записи, блок кодирования и вычислений, шину управления и шины знака и кода угла наклона.
Известные устройства [2, 3] имеют общие недостатки, заключающиеся в том, что они относятся к однокоординатным устройствам измерения углов наклона объекта. Это ограничивает их функциональные возможности и область использования.
Технический результат изобретения заключается в расширении функциональных возможностей и области технического использования.
Достижение технического результата в магнитострикционном двухкоординатном наклономере, содержащем магнитострикционный преобразователь перемещений, состоящий из постоянного магнита и акустического поглотителя, вблизи которого установлены однотипные электроакустические преобразователи, их выводы через первый и второй усилители считывания подключены к сигнальным входам блока кодирования и вычислений, его управляющий вход соединен с выходом генератора опроса и через усилитель записи подсоединен к кольцевому звукопроводу, вход генератора опроса подключен к шине управления, а первые и вторые информационные выходы блока кодирования и вычислений подключены к шинам кода и знака угла отклонения YZ, обеспечивается тем, что магнитострикционный преобразователь перемещений выполнен в виде сферического корпуса из немагнитного материала, заполненного до середины его объема рабочей жидкостью, на поверхности которой свободно размещен поплавковый элемент, причем постоянный магнит выполнен кольцевым и размещен на указанном поплавковом элементе по диаметру магнитострикционного преобразователя перемещений, дополнительно введены первый и второй С-образные звукопроводы с закрепленными на них электроакустическими преобразователями, второй акустический поглотитель, а также третий С-образный звукопровод из магнитострикционного материала,  гальванически соединенный с ними под углом 90°, в местах гальванического контакта третьего С-образного звукопровода установлены первый и второй акустические поглотители, причем вблизи последнего на звукопроводе закреплен третий электроакустический преобразователь, подключенный к одноименному сигнальному входу блока кодирования и вычислений через третий усилитель считывания, его третий и четвертые выводы подключены к шинам угла и знака отклонения YX соответственно, при этом все три С-образных звукопровода закреплены поверх сферического корпуса магнитострикционного преобразователя перемещений.
Устройство поясняется чертежом. На фиг.1 приведена структурная схема магнитострикционного двухкоординатного наклономера.
Магнитострикционный двухкоординатный наклономер содержит магнитострикционный преобразователь перемещений, выполненный в виде сферического корпуса 1 из немагнитного материала, заполненный наполовину рабочей жидкостью 2, с поплавковым элементом 3, постоянным магнитом 4, тремя однотипными С-образными звукопроводами 5-7 из магнитострикционного материала, двух акустических поглотителей 8, 9, трех сосредоточенных электроакустических преобразователей (ЭАП), а также генератор 13 опроса, усилитель 14 записи, три усилителя 15-17 считывания с автоматической регулировкой усиления, блок 18 кодирования и вычислений, шину 19 управления и четыре шины 20-23 кодов углов и знакам отклонения по координатам YZ и YX.
На границе раздела рабочей жидкости 2 и воздушной среды внутри сферического корпуса 1 магнитострикционного преобразователя перемещений устройства размещен поплавковый элемент 3 дискообразной формы с постоянным магнитом 4 по диаметру магнитострикционного преобразователя перемещений. Поверх сферического корпуса 1 под углами 90° друг относительно друга закреплены С-образные звукопроводы 5, 6, 7, где в точках гальванического контакта заключены  акустические поглотители 8, 9. При этом в нижней части С-образные звукопроводы 5-7 подключены к усилителю записи 14, а вблизи верхнего акустического поглотителя 9 закреплены электроакустические преобразователи 10-12. Их выводы через усилители считывания 15-17 подсоединены к сигнальным входам блока кодирования и вычислений 18. Его разрядные выходы подключены к шинам 20-23 кодов и знаков отклонения YZ и YX соответственно. Управляющий вход блока кодирования и вычислений 18 соединен с входом усилителя записи 14 и через генератор опроса 13 подключен к шине 19 управления.
Устройство работает следующим образом.
ОП
ОП
Первоначально устройство (фиг.1) находится в заблокированном состоянии и не реагирует на изменение углов наклона контролируемого объекта. При подаче управляющего сигнала "Управление" по шине 19 управления устройство переводится в режим работы. Генератор 13 опроса вырабатывает серию импульсов опроса с частотой следования f=1/Т, учитывающей быстродействие устройства.
По его сигналам осуществляется переустановка в исходное состояние триггерных и счетных схем блока 18 кодирования и вычислений, возбуждение усилителя 14 записи. Токовые сигналы усилителя 14 записи проходят в С-образные звукопроводы 5-7 и в зонах воздействия магнитного поля постоянного магнита 4, расположенного на поплавковом элементе 3, фиксирующем углы α, β отклонения объекта от вертикали в плоскостях YZ, YX соответственно, возбуждают ультразвуковые волны кручения (эф.Видемана). Одновременно запускается измерительный генератор блока 18 кодирования и вычислений.
кр
В следующие моменты времени ультразвуковые волны кручения распространяются по С-образным звукопроводам 5-7 в обе стороны с фазовой скоростью υ. Так одни ультразвуковые волны достигают демпфер 8 и рассеивают на нем энергию. Другие ультразвуковые волны через соответствующие интервалы времени, определяющие углы α, β отклонения объекта от вертикали в плоскостях YZ, YX соответственно:
1
2
3
достигают сигнальные ЭАП 10, 11, 12, пройдя соответственно путь l, l и l по С-образным звукопроводам 5-7, и ими считываются (эф.Виллари), после чего, достигая другой акустический поглотитель 9, испытывают полное поглощение.
Считанные сигналы ЭАП 10-12 преобразуются усилителями 15-17 считывания в прямоугольные видеоимпульсы, которые проходят на сигнальные входы блока 18 кодирования и вычислений, его комбинационные элементы и переключают триггерные схемы, управляющие работой измерительного генератора и счетных схем. В результате, на их выводах будут сформированы цифровые эквиваленты в виде кодов относительных значений углов α, β отклонения объекта от вертикали в плоскостях YZ, YX соответственно (1):
o
где f - частота следования импульсов измерительного генератора блока 18 кодирования и вычислений.
По этим значениям (2) блоком 18 кодирования и вычислений производятся вычисления текущих значений углов α, β отклонения объекта от вертикальной координаты Y в плоскостях YZ и YX соответственно
по промежуточным вычислениям в виде кодов
формируемых вычислительными элементами блока.
Одновременно компараторами блока 18 кодирования и вычислений по кодам (4) промежуточных значений вырабатываются коды знака углов α, β отклонения объекта от вертикали в плоскостях YZ, YX соответственно:
Далее результирующие коды (3), (5) выставляются с выходов блока 18 кодирования и вычислений на разрядные шины 20-23 углов и знаков отклонения объекта от вертикали.
Все последующие циклы преобразования устройства выполняются аналогично рассмотренному. Останов устройства производится при снятии сигнала "Управления" по шине 19 управления.
Таким образом, использование в устройстве первичного магнитострикционного преобразователя в виде сферического корпуса 1 из немагнитного материала с рабочей жидкостью 2, поплавковым элементом 3 и постоянным магнитом 4, подверженными воздействию гравитационной силы, и расположенными поверх него под углами 90° однотипными С-образными звукопроводами, позволяет производить быстрое двухкоординатное измерительное преобразование углов отклонения объекта от вертикали по простому вычислительному алгоритму, упрощая схемотехнику вторичного преобразователя (блока 18), повышая точность измерительной процедуры.
Это расширяет функциональные возможности и область технического использования магнитострикционного двухкоординатного наклономера, существенно отличая его от известных устройств и прототипа, позволяя обеспечить достижение положительного эффекта.
Источники информации
1. Патент РФ №2175755, G01C 9/18. Заявл. 1998.01.26.
2. Патент СССР №1811265, G01C 9/18. Опубл. 18.06.91.
3. Патент РФ №2035693, G01C 9/16, G01B 17/00. Опубл. 1995.05.20, прототип.