ИНКЛИНОМЕТР
INCLINOMETRE

Настоящее изобретение относится к области измерительной техники, в частности к приборам для контроля преимущественно незначительных, продолжительных (до нескольких лет) углов наклона поверхностей (клинометры), при строительстве и эксплуатации ответственных и особо опасных объектов промышленных предприятий, электрической, нефтегазовой энергетики, мостов, туннелей, зданий и сооружений, в городском и коммунальном хозяйствах, в геодезии и службе предупреждения природных катастроф.
Известен инклинометр, представляющий собой сосуд, заполненный до некоторого уровня электропроводящей жидкостью (1). В объем жидкости в вертикальном положении погружены 5 штырей - электродов. 4 штыря расположены по углам квадрата, а один расположен в центре квадрата. В исходном состоянии при отсутствии наклонов штыри полностью закрыты жидкостью, а величины электрических сопротивлений между центральным штырем и любым из остальных штырей имеют определенное и постоянное значение. Если сосуд наклонить на некоторый угол, величины сопротивлений между штырями изменятся за счет перераспределения объемов жидкости вокруг каждого из штырей особенно, если конец одного из штырей окажется выше уровня жидкости. По результатам измерений нового распределения сопротивлений можно вычислить угол наклона. Основными недостатками известного клинометра является высокий порог чувствительности и низкая точность измерений, что делает его малопригодным при использовании, например, для измерений малых по величине на длительных по времени (месяцы-годы) процессов.
Ближайшим по числу совпадающих конструктивных элементов и назначению является кондуктометрический датчик угловых колебаний, предназначенный для измерения углов смещения, ориентации поворота и динамических наклонов (2). Датчик для измерения угловых колебаний содержит чувствительный элемент в виде емкости, заполненной токопроводящей жидкостью, способной при наличии течения изменять один из параметров, а именно электрическое сопротивление. Емкость ограничена полостями с внешних сторон закрытыми упругими мембранами. Внутри емкости установлены чувствительные элементы: система электродов и противоэлектродов. Наружные стороны полостей с мембранами соединены между собой при помощи патрубков, заполненных другой, не токопроводящей жидкостью. В исходном состоянии жидкости в чувствительном элементе и в патрубке неподвижны и потому между электродами и противоэлектродами протекает некий незначительный фоновый ток. Когда датчик приходит в какое-либо движение, например, вследствие наклона или колебательного движения, токопроводящая жидкость внутри чувствительного элемента приходит в движение относительно системы электрод - противоэлектрод, изменяется электрическое сопротивление в приэлектродной области и изменяется фоновый ток. Эти изменения являются количественной оценкой действующего колебательного ускорения или наклона.
Известный датчик позволяет измерять наклоны, т.е. использоваться как инклинометр. Однако существенное изменение фонового тока происходит только при достаточно быстрых изменениях наклона(колебательные движения). Медленные процессы наклона, например, движение оползня, ледника и т.п. подобным датчиком фиксировать трудно, чувствительность датчика и точность измерений углов наклона невелика.
Целью настоящего изобретения является обеспечение высокой чувствительности и точности измерений наклонов поверхностей, преимущественно медленных по времени и малых по величине наклонов.
Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом инклинометре емкость чувствительного элемента выполнена в виде плоской кюветы из прозрачных материалов, например, стекла с прозрачными электродами на внутренних сторонах, в качестве жидкости, способной изменять один из параметров - ориентацию молекул под действием течения, использован жидкий кристалл с положительной диэлектрической анизотропией. Боковые стороны кюветы соединены вертикальными патрубками, а верхние торцы патрубков соединены вентилем. Плоская кювета и нижняя часть патрубков заполнена жидким кристаллом. В пределах кюветы жидкому кристаллу придана исходная ориентация молекул, перпендикулярная стенкам кюветы (гомеотропная) за счет специальной обработки стенок одним из известных способов. Уровень ЖК в патрубках в исходном состоянии одинаков, но не заполняет патрубки полностью. Остальной объем патрубков, включая вентиль, заполнены либо воздухом, либо жидкостью с удельным весом, меньшим, чем у ЖК, и инертной по отношению к ЖК. К наружным стенкам кюветы прикреплены поляроиды в скрещенном положении и оптоэлектронная пара: источник света - фотоприемник. Все узлы: кювета, патрубки, вентиль, оптоэлектронная пара, установлены на единой платформе с вращающейся на 360° верхней частью и неподвижной нижней частью. Нижняя неподвижная часть платформы имеет 3 опоры, по крайней мере, две из которых обеспечивают возможность перемещения платформы в двух плоскостях относительно измеряемой поверхности.
Такое исполнение чувствительного элемента позволяет при изменении наклона измеряемой поверхности вызывать течение ЖК в пределах кюветы и вследствие переориентации молекул ЖК возникшим потоком фиксировать чрезвычайно малые углы.
Сущность настоящего изобретения поясняется чертежами, где на:
- Фиг.1 приведена общая схема конструкции клинометра,
- Фиг.2 приведена конструкция плоской кюветы, являющейся чувствительным элементом изделия.
Клинометр состоит из чувствительного элемента - плоской кюветы в виде жидкокристаллической ячейки 1, к боковым торцам которой присоединены два вертикальных патрубка 2, соединенных сверху между собой посредством вентиля 3, способного соединять и разъединять патрубки. Расстояние D между вертикальными частями патрубков выбирается из критериев, приведенных ниже. Жидкокристаллическая ячейка 1 вместе с патрубками установлена на платформе, состоящей из верхней подвижной части 4 длиной L, обладающей возможностью вращения на 360°, и нижней неподвижной части 5, которая установлена на поверхности, наклон которой необходимо измерять (измеряемая поверхность). Неподвижная часть платформы 5 устанавливается на измеряемую поверхность посредством трех опор, по крайней мере, 2 из них снабжены механизмом перемещения по вертикали 6, с ручным и/или электрическим приводом. При помощи механизмов 6 неподвижная платформа 5, а вместе с ним и вся остальная конструкция может быть установлена горизонтально. Предпочтительной областью использования клинометра является измерение наклонов поверхностей, незначительно отклоненных от горизонтали.
Жидкокристаллическая ячейка 1 состоит из слоя жидкого кристалла (ЖК) 7 с положительной диэлектрической анизотропией, заключенного между двумя прозрачными подложками 8, например, стекла. На внутренних сторонах подложек нанесены прозрачные электроды 9, выполненные из двуокиси олова или индия или их смеси. Поверхность электродов обработаны одним из известных способов таким образом, чтобы молекулы ЖК 7 в исходном состоянии ориентировались перпендикулярно поверхности (гомеотропная ориентация). Таким образом, слой ЖК представляет собой оптически одноосную пластину с осью, перпендикулярной поверхности электродов. Подложки 8 установлены на расстоянии d одна от другой при помощи дистанционной и герметизирующей прокладки 10, которая задает толщину слоя ЖК. Длина слоя ЖК в пределах ячейки равна l, высота слоя w. На внешних сторонах подложек 8 установлены поляризаторы 11, направление плоскостей поляризации которых взаимно перпендикулярно (поляроиды скрещены). Поскольку поляроиды скрещены, а слой ЖК представляет собой одноосную пластину в направлении, перпендикулярном поверхности электродов, и в этом направлении отсутствует двулучепреломление, то в отсутствие исходных наклонов измеряемой поверхности или движения ЖК в оптоэлектронной паре: источник освещения 12 и фотоприемник 13, практически не фиксируется никакого сигнала (фоновый сигнал).
Жидкокристаллическая ячейка 7 и оба патрубки 2 заполнены ЖК таким образом, чтобы в исходном состоянии в обоих патрубках его уровень находился на некотором исходном уровне OO. Объем патрубков над этим уровнем заполнен либо воздухом, либо инертной жидкостью с удельным весом, меньшим, чем у ЖК, и химически инертной по отношении к нему. Площадь поперечного сечения патрубков S в 10-20 раз больше, чем площадь поперечного сечения ЖК ячейки (d×w×l).
Если наклон измеряемой поверхности изменился на некоторый угол от исходного, вся конструкция, установленная на подвижной и неподвижных платформах, наклонится на такой же угол и уровень жидкого кристалла в одном патрубке, например, в правом, станет выше на величину перепада уровня h (линия нового уровня О'О'). Вследствие возникшего перепада давления ЖК начнет перетекать в левый патрубок и будет перетекать до тех пор, пока уровни в обоих не сравняются в новом положении. Время перетекания зависит от величины перепада h, вязкости ЖК и гидравлического сопротивления ЖК ячейки 1, которое определяется произведением толщины слоя d на площадь сечения слоя (d×w×l).
Известно, что при течении молекулы ЖК ориентируются длинными осями вдоль направления потока. Таким образом, при возникновении перепада давления в ячейке возникнет поток ЖК. Молекулы ЖК отклонятся в направлении вдоль потока и вследствие возникшего двулучепреломления сквозь скрещенные поляроиды 11 свет от источника 12 начнет поступать к фотоприемнику 13. Интенсивность поступающего света пропорциональна углу отклонения молекул ЖК от исходного гомеотропного состояния, который, в свою очередь, пропорционален скорости потока ЖК. Скорость потока ЖК V пропорциональна величине перепада давления, который связан с углом наклона измеряемой поверхности α.
Угол α (радиан)=arctg h/L, а при малых углах α=h/L.
Необходимо понимать, что по мере выравнивания уровней в обоих патрубках скорость потока уменьшается (спадающий поток).
Важнейшей характеристикой инклинометров является минимальная величина регистрируемого наклона (чувствительность). В настоящем изобретении чувствительность в значительной мере определяется толщиной слоя ЖК d и длиной ячейки. Для получения высокой чувствительности толщина слоя широкодоступных ЖК должна быть выбрана в диапазоне 100-200 мкм, длина ячейки порядка 3-10 мм. В этом случае могут быть зарегистрированы углы наклона порядка 1-2 угловых секунд в диапазоне измеряемых углов около 10°. Кроме того, для получения максимальной чувствительности инклинометра при заданных геометрических размерах слоя ЖК расстояние между вертикальными патрубками D должно выбираться близким или даже большим, чем длина подвижной платформы L.
Поскольку высокая чувствительность не позволяет одновременно производить измерения в широком диапазоне углов наклона (противоречие между высокой чувствительностью и широким диапазоном измерений), в настоящем изобретении предусмотрена возможность загрубления чувствительности и расширения диапазона измерений за счет приложения стабилизирующих управляющих напряжений к слою ЖК посредством прозрачных электродов. При подаче напряжений в диапазоне 5-100 В чувствительность огрубляется до значений 2-3°, но и диапазон измеряемых углов может составить до 30°.
Загрубление чувствительности происходит вследствие того, что приложенное к электродам напряжение ориентирует молекулы ЖК перпендикулярно потоку и компенсирует возможный их наклон вследствие ориентации потоком. В этом случае ЖК течет, сохраняя исходную гомеотропную ориентацию, и при малых скоростях потока (и малых углах наклона) оптронная пара: источник света 12 - фотоприемник 13 фиксирует фоновый сигнал при приложенном стабилизирующем напряжении. При больших углах наклона ориентирующее действие скорости потока преодолевает ориентирующее действие приложенного напряжения, вновь возникает двулучепреломление и оптоэлектронная пара фиксирует некоторый сигнал. По величине сигнала оптоэлектронной пары и приложенного напряжения можно судить об угле наклона измеряемой поверхности относительно истинного горизонта.
Приведенное выше описание процесса измерения угла наклона относится к одному простейшему случаю, когда наклон происходит в одной заранее известной плоскости (на Фиг.1 - в плоскости чертежа).
Когда плоскость наклона заранее неизвестна, подвижная платформа, а вместе с ней и вся конструкция приводится во вращение с некоторой скоростью. Если измеряемая плоскость не имеет отклонений от горизонтали, уровни ЖК в обоих патрубках при вращении не меняются и оптоэлектронная пара не фиксирует никакого сигнала. Если же измеряемая плоскость имеет некоторый наклон, то при вращении платформы уровни ЖК в каждом из патрубков попеременно меняют положение относительно горизонта, вызывая периодическое течение ЖК в одну или другую сторону и периодическую переориентацию молекул ЖК. По величине переменного сигнала в оптоэлектронной паре можно судить о величине наклона измеряемой поверхности. При введении в систему отсчета маркера можно определить и направление плоскости наклона. Скорость вращения платформы зависит от заданной чувствительности требуемого диапазона измерений, вязкоупругих и электрооптических свойств ЖК и может быть рассчитана для любого конкретного исполнения клинометра.
Методика применения клинометра состоит в следующем.
После изготовления клинометра и до начала эксплуатации каждый экземпляр клинометра калибруется. Процедура калибровки необходима для того, чтобы облегчить технологические требования к точности изготовления узлов клинометра. Если калибровку не производить, то для хорошей воспроизводимости параметров серии клинометров требования к точности поддержания, например, толщины слоя ЖК или других размеров будут настолько жесткими, что поднимут себестоимость изготовления на экономически неприемлемый уровень. Сама процедура калибровки занимает незначительное время и требует минимум приспособлений. Для калибровки каждый экземпляр клинометра наклоняется на заранее известные углы, например, при помощи 2 эталонных клиньев (2 угловых мин и 2 градуса), и отсчитывается величина сигнала в оптоэлектронной паре. Калибровочные коэффициенты заносятся в паспорт изделия и служат в дальнейшем для расчетов угла наклона измеряемой поверхности.
При хранении и транспортировке клинометра вентиль 3 находится в состоянии ЗАКРЫТО. Это исключает возможность вытекания ЖК из ячейки и предотвращает возможность попадания инертной жидкости в рабочий зазор ЖК ячейки.
Для работы клинометр устанавливается на измеряемую поверхность, открывается вентиль 3 и в течение определенного времени (конкретного для каждого клинометра) производится выравнивание уровней в обоих патрубках путем естественного перетекания или при помощи механизмов перемещения 6 с ручным или электрическим приводом.
Когда сигнал с оптоэлектронной пары прекратился (достиг фонового значения), клинометр приведен в исходное состояние и готов к работе. Как только измеряемая плоскость получает отклонение от исходного состояния, оптоэлектронная пара фиксирует сигнал, и по его величине и калибровочным коэффициентам можно судить о величине наклона.
Возможен второй способ установки исходного уровня. В этом случае верхняя часть инклинометра со всеми узлами приводят во вращательное движение до тех пор, пока с выхода оптоэлектронной пары не прекратится синусоидальный сигнал. Это означает, что уровни в обоих патрубках стали одинаковыми, и инклинометр готов к измерениям.
Пример исполнения 1.
Для проверки работоспособности был изготовлен макет, содержащий чувствительный элемент - ЖК ячейку с толщиной слоя 200 мкм, длиной слоя 5 мм, высотой 2 см. К боковым торцам ячейки были прикреплены подводящие патрубки круглой формы с внутренним диаметром 5 мм, высотой 30 мм. Верхние торцы патрубков были открыты. На внешние поверхности ЖК ячейки были наклеены поляроиды в скрещенном положении. С одной стороны ячейки был укреплен светодиод, с другой стороны - фотодиод, которые составляли оптоэлектронную пару. ЖК ячейка с оптоэлектронной парой была установлена на вращающийся столик, горизонтальность которого была выставлена бытовым уровнемером. ЖК ячейка была заправлена жидкокристаллическим материалом ЖК-1289 с положительной диэлектрической анизотропией (производство НИОПиК). Уровень ЖК в патрубках после 20 минутной выдержки после заправки стабилизировался на высоте 25 мм от основания. В этом состоянии оптоэлектронная пара фиксировала минимальный сигнал, принимаемый за фон. При вращении ЖК ячейки со скоростью 5 оборотов в минуту фоновый сигнал практически не изменялся. После прекращения вращения производилось определение чувствительности изготовленного инклинометра и диапазон измеряемых наклонов. Для этого изменялся угол наклона ЖК ячейки относительно плоскости вращающегося столика. При угле наклона 2 угловых секунды в оптоэлектронной паре фиксировался устойчивый сигнал, который принимался за предел чувствительности для данной конструкции инклинометра. Путем последовательного изменения угла наклона на фиксированные углы: 2 угловых мин и 2 градуса и фиксации отклика оптоэлектронной пары были определены калибровочные коэффициенты для данного экземпляра инклинометра. Затем углы наклона увеличивались до значений, более, чем 20°, и фиксировался сигнал оптоэлектронной пары с целью определения диапазона измерений. Для конкретного экземпляра инклинометра диапазон измерений составил 3° без использования стабилизирующих напряжений и до 17° при приложении напряжений. Интервал между отдельными однократными измерениями составлял порядка 5-7 мин и определялся необходимостью возврата уровней в исходное состояние. Производились измерения наклонов в режиме вращения основания. Были получены осциллирующие кривые, из которых путем расчетов по специальной программе можно извлечь значения наклонов.
Таким образом, изготовленный образец показал работоспособность предложенного клинометра и высокие эксплуатационные параметры.
Примеры исполнения 2-5.
Были изготовлены образцы, аналогичные с примером 1, но с толщинами слоя ЖК 50, 100, 300 мкм и с длинами слоя 3, 8 и 10 мм. В результате проведенных исследований были определены предельные чувствительности, пределы измерений, точность измерений и условия эксплуатации.
Общий вывод из проведенных исследований состоит в том, что предложенная конструкция инклинометра работоспособна, для разных конструктивных размеров имеет предел чувствительности от 1-2 угловых секунд, диапазон измерений до 30-40°, точность измерений от 1 до 3% для разных геометрических размеров слоев ЖК.
Таким образом, инклинометр предлагаемой конструкции работоспособен, обладает высокой чувствительностью, высокой точностью и широким диапазоном измерений и обеспечивает получение поставленной цели.
Источники информации:
1. Патент US 6880257 G01С 9/00, приоритет, 31.03.2004.
2. Патент RU 2162598 G01N 27/02, G01V 1/16 (прототип).