ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ МАЯТНИКОВЫЙ ДАТЧИК УРОВНЯ
ELECTRO-OPTICAL PENDULUM LEVEL SENSOR

Изобретение относится к устройствам для измерения отклонения объекта в вертикальной плоскости и может быть использовано для контроля и выправки положения железнодорожного полотна.
Известен маятниковый датчик уровня ELT-133.00 фирмы «Plasser & Thuerer» (Австрия) [Распопов В.Я., Иванов Ю.В., Зотов С.А. Датчики уровня систем управления выправочных железнодорожных машин // Датчики и системы - 1999. - №4. - С.40-43]. Он содержит массивный маятник, корпус, в нижней части которого имеется ванна, профиль которой повторяет профиль нижней части маятника по его радиусу. В ванне находится демпфирующая жидкость. Подвес маятника в корпусе выполнен с помощью оси, жестко связанной с маятником, и двух шарикоподшипниковых опор. С осью подвеса маятника связана ось вращения потенциометрического датчика угла.
Передача колебаний маятника на ось вращения потенциометра происходит с помощью шкивов и гибкой передачи (стальной тросик, кордовая нить, зубчатый ремень). Основным недостатком такого способа съема сигнала является наличие статической погрешности датчика, обусловленной моментом трения в механической передаче. Кроме того, имеет место износ потенциометра как при работе, так и при транспортировке датчика.
Таким образом, к недостаткам прибора можно отнести наличие у него значительной статической погрешности, обусловленной моментом трения в механической передаче, которая ограничивает возможности его применения.
Прототипом является устройство для контроля перемещений, выполненное в соответствии с патентом РФ №2150086. Оно имеет два блока датчиков, расположенных перпендикулярно друг другу, каждый блок выполнен в виде маятника, на конце которого расположен излучатель света, а на шкале находится ряд светоприемников, расположенных симметрично относительно маятника на некотором расстоянии.
Недостатком устройства является то, что излучатель света за счет расхождения пучка засвечивает сразу несколько светоприемников, что снижает разрешающую способность и точность определения угла отклонения маятника.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение точности и разрешающей способности при измерении угла отклонения маятника за счет сужения пучка излучения с помощью щелевой диафрагмы и применения устройства обработки сигнала светоприемников.
Поставленная техническая задача в предлагаемом изобретении решена тем, что оптико-электронный маятниковый датчик уровня содержит маятник, излучатель света, щелевую диафрагму, ряд светоприемников, корпус, коммутатор, устройство сравнения, источник опорного напряжения, блок вычисления номера среднего из засвеченных светоприемников, блок вычисления линейного и углового смещения маятника, причем излучатель света и щелевая диафрагма расположены на маятнике, а ряд светоприемников - на корпусе симметрично относительно маятника на некотором расстоянии, выходы светоприемников соединены со входами коммутатора, выход которого соединен с первым входом устройства сравнения, второй вход устройства сравнения соединен с выходом источника опорного напряжения, выход устройства сравнения через блок вычисления номера среднего из засвеченных светоприемников соединен со входом блока вычисления линейного и углового смещения маятника.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что щелевая диафрагма формирует узкий пучок излучения, который засвечивает ограниченное число светоприемников. Сигналы с выходов всех светоприемников сравниваются с опорным напряжением, в результате чего определяются порядковые номера засвеченных светоприемников. Затем вычисляется порядковый номер среднего из засвеченных светоприемников. Таким образом, зная размеры светоприемников и величину расстояния между ними, можно определить линейное и угловое перемещение маятника с высокой точностью и разрешающей способностью.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показана структурная схема оптико-электронного маятникового датчика уровня. На фиг.2 показан сигнал, формируемый на выходах светоприемников.
Предлагаемый оптико-электронный маятниковый датчик уровня содержит маятник 1, излучатель света 2, щелевую диафрагму 3, ряд светоприемников 4, корпус 5, коммутатор 6, устройство сравнения 7, источник опорного напряжения 8, блок вычисления номера среднего из засвеченных светоприемников 9 и блок вычисления линейного и углового смещения маятника 10, причем излучатель света 2 и щелевая диафрагма 3 расположены на маятнике 1, а ряд светоприемников 4 - на корпусе симметрично относительно маятника 1 на некотором расстоянии, выходы светоприемников 4 соединены со входами коммутатора 6, а его выход соединен с первым входом устройства сравнения 7, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения 8, выход устройства сравнения 7 через блок вычисления номера среднего из засвеченных светоприемников 9 соединен со входом блока вычисления линейного и углового смещения маятника 10.
Работа устройства происходит следующим образом. При отклонении маятника 1 от первоначального положения относительно корпуса 5 световой пучок от излучателя света 2, сформированный щелевой диафрагмой 3, смещается относительно ряда светоприемников 4, засвечивая несколько из них. В результате на выходах светоприемников формируются сигналы, показанные на фиг.2, которые поступают на входы коммутатора 6. В устройстве сравнения 7 сигналы с выхода каждого светоприемника сравниваются с опорным напряжением, формируемым источником опорного напряжения 8. В результате определяются номера светоприемников i и i+m, сигнал на выходе которых равен опорному напряжению. Причем число засвеченных светоприемников m является постоянной величиной для данной конструкции и в основном определяется шириной щели диафрагмы. Далее в блоке 9 определяется номер среднего из засвеченных светоприемников
.
Линейное смещение маятника определяется в блоке 10 по формуле
Δl=Δj(d+c),
где Δj - значение приращения номера засвеченного светоприемника;
d - ширина светоприемника;
с - расстояние между соседними светоприемниками.
Угловое смещение маятника определяется по формуле
,
где R - расстояние от оси подвеса маятника до светоприемника.
Применение такого алгоритма обработки сигналов позволяет повысить разрешающую способность определения смещения маятника до значения d+c, несмотря на то что одновременно засвечивается несколько светоприемников. Блоки вычисления номера среднего из засвеченных светоприемников 9 и вычисления линейного и углового смещения маятника 10 могут быть реализованы в виде программируемого микропроцессорного устройства.
Таким образом, совокупность признаков предлагаемого устройства, реализация которых может быть выполнена в соответствии фиг.1, позволяет повысить точность и разрешающую способность при измерении угла отклонения маятника за счет сужения пучка излучения с помощью щелевой диафрагмы и применения обработки сигнала светоприемников.