СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВ НАКЛОНА ОБЪЕКТОВ С ПОМОЩЬЮ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ
METHOD OF MEASURING INCLINATION ANGLES OF OBJECTS USING MAGNETIC LIQUID

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения углов наклона объектов и установленного на них оборудования.
Уровень техники
Известно множество способов и устройств измерения углов наклона объектов. Например:
а) «Устройство для определения углов наклона объектов» (Патент РФ №2142613, авторы Заболотный А.В., Бровкин Б.Н., опубл. 10.12.1999). Устройство представляет собой закрепленную на объекте плату, выполненную с возможностью поворота в плоскости ее установки. На плате размещена панель с жестко связанной шкалой, проградуированной в градусной мере, и стрелкой, всегда ориентированной вдоль линии отвеса. Панель оснащена механизмом, позволяющим осуществлять ее поворот и фиксацию с помощью стопорного винта в необходимом положении.
При наклоне объекта положение конца стрелки относительно шкалы указывает соответствующую величину крена в градусной мере.
К недостаткам устройства следует отнести следующие обстоятельства:
1. Низкий уровень чувствительности по причине сухого трения и коррозии металла между осью и стрелкой.
2. Низкий уровень точности измерений, обусловленный проявлением явления параллакса и отсутствием нониуса.
3. Невозможность использования прибора без защитного экрана в условиях даже слабых потоков воздушных масс.
б) «Способ определения угла наклона и устройства для его осуществления» (Патент РФ №2455616, автор Шадрин А.С., опубл. 10.07.2012).
Заявляемое техническое решение относится к технике, а именно к способам и устройствам, позволяющим определять угол наклона объектов в диапазоне от 0 до 180°, в одной или двух плоскостях, в дискретном или в непрерывном режиме. Это дает возможность использовать его при создании датчиков и различных систем, применяемых в робототехнике, в охранной сигнализации, в контрольно-измерительном оборудовании, в средствах автоматизации обеспечения безопасности на транспорте, в машиностроении, металлургии, в других областях деятельности человека, где необходимо определять предельный или реальный угол наклона объекта.
Устройство включает корпус с крышкой, поверхность качения, совмещенную с внутренней поверхностью корпуса с созданием камеры в корпусе, тело качения, активный элемент, расположенный под поверхностью качения. При этом обеспечена возможность регулировки расстояния между активным элементом и поверхностью качения. Тело качения может быть выполнено в виде шара, цилиндра или диска и может представлять собой постоянный магнит. Активный элемент может быть выполнен в виде обкладок электрической емкости, катушки индуктивности, магнитоуправляемого контакта либо датчика Холла.
К недостаткам устройства следует отнести следующие обстоятельства:
1. Трудоемкость изготовления.
2. Нелинейность зависимости выходного сигнала от угла наклона.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятое авторами за прототип является устройство для определения углов наклона объектов (Патент РФ №2397443 «Датчик угла наклона», авторы Гнатюк В.И., Ханевич B.C., Толмачев А.Н., Ханевич С.В., Гнатюк Н.В., Заименко А.А., опубл. 20.08.2010).
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в схемах автоматического и дистанционного измерения углов наклона. Устройство представляет собой датчик угла наклона, состоящий из U-образного трубчатого гидроуровня, заполненного частично магнитной жидкостью. Концы трубки закрыты крышками, на одном конце гидроуровня выполнена обмотка, связанная с подстроенным резистором, милливольтметром и источником питания.
При подключении источника питания переменного тока к обмотке по измеряемой цепи протекает переменный ток, регистрируемый индикатором, проградуированным в градусах. При изменении наклона датчика магнитное сопротивление за счет увеличения уровня магнитной жидкости в трубке уменьшается, что приводит к увеличению тока в цепи, что регистрируется индикатором, проградуированным в градусах. При изменении наклона датчика в противоположную сторону магнитное сопротивление за счет снижения уровня магнитной жидкости в трубке возрастает, что приводит к уменьшению тока в цепи. Индикатор в обоих случаях показывет величину угла наклона. Крышки обеспечивают герметичность магнитной жидкости. Устройство обеспечивает дистанционное и автоматическое определение величины угла наклона.
К недостаткам устройства следует отнести следующие обстоятельства:
1. Малый диапазон измеряемых углов.
2. Низкая точность измерения.
Раскрытие изобретения
Задачей предлагаемого изобретения является создание прибора, обеспечивающего высокую степень точности измерения углов наклона объектов и установленного на них оборудования.
Технический результат, который может быть получен с помощью предлагаемого изобретения, сводится к повышению чувствительности прибора и точности измерений (чувствительность прибора 0,1°), уменьшению материальных и временных затрат, обеспечению линейности зависимости выходного сигнала от угла наклона, возможности визуального считывания показаний при расположении прибора в труднодоступных местах. Предлагаемое изобретение позволяет определять угол наклона объектов в диапазоне от 0 до 180°. Изобретение можно использовать как в дискретном, так и в непрерывном режиме. Прибор может быть установлен в труднодоступных местах, его можно подключить к компьютеру, либо другой системе сбора данных, что позволит легко осуществлять процесс сбора, обработки и анализа полученных данных.
Технический результат достигается с помощью использования в предлагаемом устройстве магнитной жидкости (Фертман Е.Е. Магнитные жидкости. - Минск: Вышейшая школа, 1988. - 184 с.). Магнитные жидкости находят широкое применение в приборостроении, промышленности и медицине благодаря своим уникальным способностям эффективно взаимодействовать с магнитными полями при сохранении текучести. Несмотря на то, что они являются коллоидными растворами ферромагнетиков в жидкой среде, они достаточно устойчивы и могут сохранять свои свойства в течение нескольких десятков лет.
Магнитные параметры таких жидкостей могут иметь достаточно большие величины, характерные для ферромагнитного состояния вещества. Так, намагниченность может достигать порядка 100 кА/м, а магнитная восприимчивость - до двух десятков единиц. Это дает возможность для создания прибора, с помощью которого возможно измерение углов поворота тел в пространстве в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
Предлагается устройство измерения угла наклона объекта, включающее закрепленный на вертикально расположенной панели полый тороид из парамагнитного материала, на который намотана первичная обмотка, подключенная к выходу звукового генератора, поверх первичной намотана вторичная обмотка, содержащая две идентичные секции, охватывающие по половине тороида и включенные последовательно навстречу друг другу, свободные концы вторичных обмоток подключают к измерительному прибору, при этом тороид наполовину заполнен магнитной жидкостью. Для измерения угла наклона объекта описанным выше устройством используют полое тело с обмоткой, заполненное магнитной жидкостью, и подключают к нему источник питания переменного тока, при этом согласно изобретению переменный ток пропускают по первичной обмотке, при появлении угла наклона объекта измерительным прибором регистрируют разницу ЭДС, наводимых во вторичных обмотках, которая пропорциональна углу наклона объекта.
Сущность способа измерения углов наклона объектов заключается в использовании компенсационного метода измерения суммарной ЭДС индукции, что в значительной степени повышает чувствительность и точность измерений по сравнению с патентом РФ №2397443.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена схема осуществления способа измерения углов наклона объектов с помощью магнитной жидкости, устройство для определения угла наклона объекта. На вертикально расположенной панели 1 закрепляют полый тороид из парамагнитного материала 2, на который намотана первичная обмотка 3 медным проводом, подключенная к выходу звукового генератора 4. Поверх первичной намотана вторичная обмотка 5 из такого же провода, содержащая две идентичные секции, охватывающие по половине тороида и включенные последовательно навстречу друг другу. Свободные концы вторичных обмоток подключают к измерительному прибору 6. При пропускании по первичной обмотке переменного тока во вторичных обмотках наводятся ЭДС одинаковой величины со сдвигом фаз 180° относительно друг друга, вследствие чего измерительный прибор фиксирует разность наводимых во вторичных обмотках ЭДС.
Внутренний объем тороида наполовину заполняют магнитной жидкостью типа магнетит в керосине. В случае, когда угол наклона объекта равен 0, фиксируемая измерительным прибором величина сигнала также равна 0. При наклоне объекта свободный от магнитной жидкости объем одной катушки возрастает (индуктивность обмотки, а следовательно, и наводимая в ней ЭДС убывают), а другой убывает (индуктивность обмотки, а следовательно, и наводимая в ней ЭДС возрастают), вследствие чего фиксируемая измерительным прибором разность ЭДС возрастает пропорционально углу наклона объекта.
На фиг.2 представлен градуировочный график зависимости угла наклона объекта от величины разности ЭДС, наводимых во вторичных обмотках.
Осуществление изобретения
Примеры конкретного выполнения способа измерения угла наклона объекта с помощью магнитной жидкости.
Пример 1. На вертикально расположенной панели закрепляют полый тороид из парамагнитного материала (радиусом 10 см, внутренний диаметр 8 мм, внешний диаметр - 9 мм), на который намотана первичная обмотка медным проводом диаметром 1 мм, подключенная к выходу звукового генератора ГЗ-34. Поверх первичной обмотки намотана вторичная из такого же провода, содержащая две идентичные секции, охватывающие по половине тороида и включенные последовательно навстречу друг другу. При пропускании по первичной обмотке переменного тока величиной 0,1 А частотой 1,5 кГц во вторичных обмотках наводятся ЭДС одинаковой величины. Свободные концы вторичных обмоток подключают к прибору M890G, который фиксирует разность наводимых во вторичных обмотках ЭДС. Внутренний объем тороида наполовину заполняют любой магнитной жидкостью, но в примере авторы использовали магнитную жидкость типа магнетит в керосине с объемной концентрацией магнитной фазы 12%.
В случае, когда угол наклона объекта равен 0, фиксируемая измерительным прибором величина разности ЭДС также равна 0. При наклоне объекта свободный от магнитной жидкости объем одной катушки возрастает (индуктивность обмотки, а следовательно, и наводимая в ней ЭДС убывают), а другой убывает (индуктивность обмотки, а следовательно, и наводимая в ней ЭДС возрастают), вследствие чего фиксируемая измерительным прибором разность ЭДС возрастает пропорционально углу наклона объекта.
При изменении угла наклона на 0,5° ЭДС изменяется на 1 мВ. Это свидетельствует о высокой точности измерения углов наклона объектов.
Пример 2. На вертикально расположенной панели закрепляют полый тороид из парамагнитного материала (радиусом 10 см, внутренний диаметр 8 мм, внешний диаметр 9 мм), на который намотана первичная обмотка медным проводом диаметром 1 мм, подключенная к выходу звукового генератора ГЗ-34. Поверх первичной намотана вторичная обмотка из такого же провода, содержащая две идентичные секции, охватывающие по половине тороида и включенные последовательно навстречу друг другу. Свободные концы вторичных обмоток подключают к устройству сбора данных NI PCI - 6221. Внутренний объем тороида наполовину заполняют магнитной жидкостью (можно использовать любую магнитную жидкость, но в примере использовалась магнитная жидкость типа магнетит в вакуумном масле с объемной концентрацией магнитной фазы 15%). При пропускании по первичной обмотке переменного тока 0,2 А частотой 1 кГц во вторичных обмотках наводятся ЭДС пропорционально углу наклона. В результате совместной работы устройства сбора данных и специализированного программного обеспечения возникает возможность непосредственного определения угла наклона, временной развертки полученных данных, а также их накопление с возможностью последующего анализа. Предлагаемые устройство и способ позволяют определять углы наклона в труднодоступных для визуализации местах, а также уменьшают материальные и временные затраты.
Таким образом, способ определения углов наклона объектов с помощью магнитной жидкости позволяет быстро, эффективно и просто определять углы наклона, а также накапливать и анализировать полученные данные.
Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества:
1. Высокий уровень чувствительности.
2. Высокий уровень точности измерений.
3. Возможность визуального считывания показаний при расположении прибора в труднодоступных местах.
4. Возможность сохранения истории поведения объекта.