ДАТЧИК УГЛА НАКЛОНА
INCLINATION ANGLE SENSOR

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, конкретнее к устройствам для определения пространственного положения объектов относительно горизонта. Устройство может быть использовано в геодезии, строительстве, горном деле, в нефтяной и газовой промышленности при бурении скважин, в системах контроля и управления различными подвижными объектами, в приборах охранной сигнализации и сейсмоакустического контроля.
Уровень техники
Известен датчик угла отклонения объекта от горизонтального положения (см. патент на изобретение RU 2215992, МПК G01C 9/20, G01C 9/06, опубл. 10.11.2003 г), содержащий герметичную камеру, наполовину заполненную диэлектрической жидкостью, сформированную втулкой и двумя электродами в виде пластин, внутри камеры закреплены еще два выходных электрода. Упомянутый датчик представляет собой сенсор, чувствительный элемент, для обработки выходных сигналов которого требуется использование дополнительных преобразующих и счетно-вычислительных устройств.
Известно устройство цифрового измерителя угла наклона (см. патент на полезную модель №50298, МПК G01C 9/06, опубл. 27.12.2005 г), который содержит датчик угла наклона и корпус, внутри которого размещена электронная схема преобразования выходного сигнала датчика, включающая микроконтроллер с возможностью управления режимами измерений посредством клавиатуры, размещенной на внешней поверхности корпуса вместе с жидкокристаллическим индикатором. Датчик размещен вне корпуса с электронной схемой и связан с последним посредством электрического кабеля.
Известен емкостной датчик наклона (см. патент ЕР 0492330, МПК G01C 9/20, G01C 9/06, опубл. 01.07.1992 г), содержащий герметичный цилиндрический резервуар, наполовину заполненный жидкостью с высокой диэлектрической проницаемостью, по торцам которого размещены пластины с электродами, образующими, в совокупности с резервуаром, чувствительный элемент датчика. Элементы электронной схемы обработки сигналов размещены на этих же пластинах, вне области расположения электродов, за пределами резервуара. Устройство не отличается компактностью, имеет плохую помехозащищенность и недостаточную устойчивость к различного рода воздействиям.
В качестве наиболее близкого по наличию сходных конструктивных признаков аналога для заявляемого технического решения принято устройство для измерения угла наклона (уклономер), раскрытое в патенте США 4528760, МПК G01C 9/06, опубл. 16.07.1985 г. Согласно упомянутому патенту устройство для измерения угла наклона содержит чувствительный элемент в виде частично заполненной жидкостью цилиндрической камеры, образованной внутренней цилиндрической поверхностью корпуса барабанного типа и двумя круглыми плоскопараллельными пластинами с электродами на внешней, относительно герметичной камеры поверхности. Электроды соединены с электронной схемой устройства, включающей преобразователь выходных сигналов, связанный с устройством цифровой обработки информации.
Чувствительный элемент и компоненты электронной схемы согласно одному исполнению устройства могут быть размещены в общем кожухе-корпусе. Согласно другому исполнению часть компонентов электронной схемы может быть вынесена в главный блок управления.
К недостаткам известного устройства следует отнести большие габариты, недостаточные помехозащищенность и надежность работы датчика. Кроме того, используемая схема подключения электродов и обработки снимаемых сигналов позволяет лишь отслеживать величину угла наклона и, сравнивая ее с предельными значениями, выдавать предупредительный сигнал при превышении последних.
Раскрытие изобретения
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание интеллектуального датчика угла наклона повышенной надежности и компактности, обеспечивающего высокую точность измерений.
Поставленная задача решена за счет того, что в датчике угла наклона, содержащем цилиндрическую камеру, частично заполненную неэлектропроводной жидкостью, образованную внутренней цилиндрической поверхностью корпуса и двумя плоскопараллельными пластинами с электродами на внешней, относительно камеры, поверхности, соединенными с электронной схемой, включающей преобразователь выходных сигналов, связанный с устройством цифровой обработки информации, согласно заявляемому изобретению внутренняя цилиндрическая поверхность корпуса выполнена ступенчатой формы, с меньшим диаметром в срединной части корпуса и большим диаметром - на участках, примыкающих к условным плоскостям оснований цилиндра, пластины с электродами установлены на уступах корпуса, образованных перепадом его диаметра, и поджаты к ним посредством крышек, закрывающих корпус со стороны оснований, в крышках сформированы посадочные поверхности для установки печатных плат с элементами электронной схемы, включающей микроконтроллер, выполняющий функции устройства цифровой обработки информации и выполненный с возможностью формирования входных импульсов.
Вышеупомянутая совокупность отличительных признаков заявляемого устройства позволяет получить следующие положительные технические результаты:
- повышение компактности устройства;
- повышение надежности;
- улучшение помехозащищенности;
- повышение достоверности результатов измерений;
- повышение технологичности изготовления;
- повышение удобства эксплуатации и обслуживания.
Отличительными от наиболее близкого аналога признаками заявляемого датчика являются конструктивное исполнение корпуса со ступенчатой внутренней поверхностью, наличие закрывающих корпус с торцов крышек и их конструктивное исполнение, а также построение электронной схемы на базе микроконтроллера.
В отличие от прототипа пластины с электродами установлены внутри корпуса, что обеспечивается его ступенчатой внутренней поверхностью, и поджаты крышками, которые зафиксированы в корпусе, предпочтительно завальцованы в корпус.
Корпус в совокупности с крышками не только обеспечивают формирование и работу чувствительного элемента (ЧЭ) датчика - герметичной цилиндрической камеры с неэлектропроводной жидкостью, по торцам которой размещены пластины с электродами, но и обеспечивают компактное размещение всех компонентов электронной схемы датчика, для чего в крышках корпуса сформированы посадочные поверхности для печатных плат, несущих элементы электронной схемы.
Применение микроконтроллера позволило резко сократить габариты измерительно-преобразующей системы (электронной схемы датчика) и обеспечило возможность ее размещения в одном компактном корпусе с чувствительным элементом.
В результате предлагаемый датчик угла наклона представляет собой компактное законченное устройство, с выхода которого снимаются уже готовые измерительные данные в форме, удобной и для расчетов, и для визуализации, и для использования в системах управления подвижным объектом, угол положения которого был измерен. Устройство отличается готовностью подключения к автоматизированным системам сбора данных и управления без необходимости использования дополнительных преобразующих устройств.
Благодаря размещению элементов электронной схемы в крышках корпуса по обе стороны от герметичной камеры, до минимума сокращена длина проводных линий связи, что в совокупности с аналоговой и цифровой фильтрацией сигнала осуществляемой электронной схемой устройства, позволяет максимально снизить потери и повысить достоверность измерительной информации.
Все элементы устройства не только компактно размещены в едином корпусе, но и жестко закреплены в нем: крышки зафиксированы относительно корпуса, а платы с элементами электронной схемы жестко закреплены в крышках. Благодаря отсутствию длинных проводов и подвижных частей, конструкция датчика обладает повышенной устойчивостью по отношению к любым нагрузкам, в том числе вибрационным и ударным, что обеспечивает надежность работы датчика при любых условиях эксплуатации.
Предлагаемая конструкция датчика отличается простотой и технологичностью сборки, позволяет при необходимости осуществить ремонт и замену отдельных элементов, и при этом характеризуется простотой обслуживания и эксплуатации.
Микроконтроллер выполняет и функцию формирователя входных импульсов, подаваемых на потенциальные электроды одной пластины, и функцию цифровой обработки выходной информации, прошедшей первичную обработку в преобразователе выходных сигналов. Благодаря тому, что упомянутые функции выполняются одним устройством, повышается точность обработки информации, расширяются возможности проведения измерений. Так, например, микроконтроллер позволяет изменять направление отсчета угла наклона.
Микроконтроллер обеспечивает организацию связи с внешними устройствами, например, с целью передачи измерительной информации в систему управления объектом, либо к головному вычислительному устройству прибора, куда заявляемый датчик может входить как часть.
Печатные платы с элементами электронной схемы предпочтительно размещены с внешней стороны крышек, в которых выполнены отверстия для соединительных проводов, связывающих электроды и электронную схему. В этом случае металлический корпус с завальцованными в нем металлическими крышками образует замкнутый защитный экран вокруг чувствительного элемента, что исключает влияние на него электрической части датчика, способствует высокой помехозащищенности и повышению достоверности измерительной информации.
Упомянутое размещение является предпочтительным, но не ограничивает возможностей иной реализации заявляемого устройства. Так, например, установочные места для элементов электронной схемы могут быть сформированы внутри крышек, или даже на внутренней поверхности крышки, однако в последнем случае отсутствует упомянутый выше защитный экран.
В отличие от прототипа в заявляемом датчике используется несколько потенциальных электродов, размещенных на первой пластине, и один съемный электрод, расположенный на второй пластине. Потенциальные электроды выполнены в виде участков металлизации, имеющих форму одинаковых секторов, на которые разделен общий круг металлизации, выполненный на поверхности первой пластины, при этом каждый потенциальный электрод соединен с выходом микроконтроллера.
Съемный электрод выполнен в виде цельного круга металлизации на поверхности второй пластины и соединен с входом преобразователя выходных сигналов.
Такое исполнение электродов обеспечивает возможность использования фазового метода обработки сигнала, при этом фаза выходного сигнала линейно изменяется от 0 до 360 электрических градусов при изменении положения корпуса датчика от 0 до 360 угловых градусов.
n
Количество секторов составляет 2, где n≥3, предпочтительно 3, 4, 5. Количество электродов менее 8 не обеспечивает необходимой точности измерений. Увеличение электродов до 64 технологически сложно реализуемо.
Преобразователь выходных сигналов включает усилитель, ячейку фильтров и АЦП, выполненный, например, на базе компаратора.
Для лучшего понимания сути заявляемого решения ниже приведен пример конкретного исполнения датчика, иллюстрируемый чертежами.
Краткое описание чертежами
Конструкция и работа датчика поясняются чертежами, где
на фиг.1 изображен датчик, общий вид с частичным сечением;
на фиг.2 - корпус, общий вид;
на фиг.3 - сечение А-А с фиг.2, повернуто;
на фиг.4 - первая пластина с потенциальными электродами,
на фиг.5 - вторая пластина со съемным электродом,
на фиг.6 - крышка, вид сбоку с частичным сечением,
на фиг.7 - вид В с фиг.6, для первой (а) и второй крышки (б),
на фиг.8 - приведена принципиальная схема датчика.
Осуществление изобретения
Предлагаемый датчик угла наклона содержит (см. фиг.1) корпус 1 барабанного типа, закрытый с торцов крышками 2, герметичную цилиндрическую камеру 3, частично заполненную неэлектропроводной жидкостью 4, образованную внутренней цилиндрической поверхностью корпуса 1 и двумя плоскопараллельными пластинами 5 с электродами на внешней, относительно камеры 3 поверхности, соединенными с электронной схемой датчика.
Внутренняя цилиндрическая поверхность корпуса 1 (см. фиг.2, 3) выполнена ступенчатой формы: с меньшим диаметром (D1) в срединной части корпуса и большим диаметром (D2) на участках, примыкающих к условным плоскостям оснований цилиндра, образуемого упомянутой поверхностью. Пластины 5 установлены на образованных ступенчатой формой корпуса уступах 6 и поджаты к ним крышками 2, завальцованными в корпус 1, что обеспечивает герметичность камеры 3. Для возможности завальцовки на внешней поверхности корпуса 1 сформированы тонкостенные цилиндрические выступы 7.
Между пластиной 5 и поджимающей ее крышкой 2 может быть установлено резиновое уплотнительное кольцо 8.
Пластины 5 выполнены из диэлектрического керамического материала, имеют одинаковые размеры и круглую форму (см. фиг.4 и 5). На внешней, относительно камеры 3, стороне пластин нанесена металлизация, имеющая форму концентрично расположенного круга. На пластине 5' круг металлизации разделен зазорами на 16 секторов, каждый из которых образует потенциальный электрод 9. На пластине 5" металлизация имеет форму цельного круга, образующего один съемный электрод 10.
С внешней стороны на крышках 2 (см. фиг.6 и 7) выполнены буртики 11, формирующие объем и посадочные поверхности для размещения печатных плат 12 с элементами электронной схемы. Печатные платы 12, выполненные круглой формы из текстолита, установлены на выступах, образованных ступенчатой внутренней поверхностью буртиков 11 крышек 2 и закреплены в них путем обжима кромки буртика в нескольких местах (см. фиг.1).
В крышках 2 выполнены отверстия 13 для проводов 14, соединяющих электроды пластин 5 с элементами электронной схемы.
Электронная схема датчика (см. фиг.8) включает, так называемую, ячейку 15 формирователя и ячейку 16 преобразователя выходных сигналов. Ячейка 15 формирователя содержит микроконтроллер (МК) и преобразователь интерфейса (И), размещенные на печатной плате 12, установленной в крышке 2' со стороны пластины 5' с потенциальными электродами 9. Выходы Р1-Р16 микроконтроллера (МК) соединены с потенциальными электродами 9.
Ячейка 16 преобразователя выходных сигналов включает последовательно соединенные предварительный усилитель (У), три полосовых фильтра (Ф1, Ф2 и Ф3), усилитель-ограничитель (УО) и компаратор (К), размещенные на второй плате 12, установленной в крышке 2". Вход предварительного усилителя (У) соединен со съемным электродом 10. Выход компаратора (К) подключен к информационному входу микроконтроллера (МК).
Датчик представляет собой емкостной преобразователь. Наличие 16-ти потенциальных электродов на первой пластине обеспечивает возможность использования фазового метода обработки, при этом фаза выходного сигнала линейно изменяется от 0 до 360 эл. град. при изменении положения корпуса датчика от 0 до 360° угловых.
Возможно увеличение числа секторов (потенциальных электродов) до 32 и более, что позволит дополнительно повысить точность измерений, при этом изменение количества потенциальных электродов приведет только к увеличению числа задействованных выходов микроконтроллера и корректировке его программы, в целом же конструкция устройства останется неизменной. Схемотехнические методы увеличения количества входов/выходов микроконтроллера и связанные с этим изменения программы его работы общеизвестны.
Работа датчика осуществляется следующим образом.
После подачи питания микроконтроллер (МК) в соответствии с записанной ранее в его памяти программой производит настройку своего внутреннего оборудования и либо ожидает запрос на выполнение измерения от преобразователя интерфейса (И), либо выполняет измерения в соответствии с заложенной программой. Интерфейс служит для согласования уровней между внешним интерфейсом RS-485 и микроконтроллером МК.
После получения запроса микроконтроллер формирует прямоугольные импульсы напряжения, начиная с выхода Р1 и далее до Р16, сдвинутые относительно друг друга во времени, длительность импульса на каждом выходе Р равна Т/2, где Т - период прохождения импульсов. Импульсы напряжения с выходов Р1-16 микроконтроллера подаются на соответствующие потенциальные электроды 9 пластины 5', где также формируются импульсы напряжения, сдвинутые относительно друг друга по времени.
Электроды пластин совместно с герметичной камерой 3 между ними образуют шестнадцать конденсаторов, емкость каждого из которых зависит от наличия жидкости 4 между электродами. Чем больше жидкости, тем больше емкость данного конденсатора.
Сигнал со съемного электрода 10, усиленный малошумящим прецизионным усилителем (У) и отфильтрованный трехзвенным полосовым фильтром (Ф1-ФЗ) подается на компаратор (К), который выделяет фазу сигнала по отношению к началу серии импульсов, подаваемой на потенциальные электроды микроконтроллером МК. Выделенная фаза содержит информацию об угловом положении жидкости относительно электродов. Сигнал с компаратора передается на микроконтроллер, который обрабатывает и усредняет полученную информацию. Данные измерений в цифровом виде передаются через интерфейс RS-485 к внешнему устройству, либо сохраняются в памяти МК.
Корпус с завальцованными в нем крышками выполняет функции защитного экрана, предотвращающего воздействие случайных паразитных емкостей на показания чувствительного элемента.
Датчик имеет линейную зависимость выходного сигнала от угла наклона (±180°) корпуса датчика в одной, т.н. рабочей плоскости, и практически не изменяет показания в другой, перпендикулярной ей (нерабочей) плоскости. При этом сигнал слабо зависит от температуры.
Для определения положения объекта в пространстве используются два датчика угла наклона, расположенные друг к другу под углом 90°, т.е. в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях. Для закрепления на объекте или в приборе, на корпусе 1 датчика имеется установочная поверхность 17 и отверстия 18 для крепежных винтов.
Предлагаемый прецизионный, малогабаритный, интеллектуальный датчик обеспечивает точное измерение угла наклона относительно горизонта и может быть использован в геофизической аппаратуре, для определения крена различных транспортных средств и высотных сооружений, деформации различного рода опор и балок, определения направления бурения нефтяных и газовых скважин, для контроля угла наклона автомобильных и железных дорог, для контроля положения рабочего органа в различных станках, определения углового перемещения различного рода вращающихся объектов, в приборах охранной сигнализации и сейсмического контроля и проч.