УСТРОЙСТВО ДВУХКООРДИНАТНОЕ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, конкретнее к устройствам для измерения наклонов земной поверхности и промышленных объектов (зданий, сооружений, антенных опор и т.п.), где требуется высокоточный контроль углового положения и динамический мониторинг состояния инженерных конструкций, оборудования. Устройство может быть использовано в геодезии, строительстве, горном деле, в нефтяной и газовой промышленности при бурении скважин, в системах контроля и управления подвижными объектами, в приборах охранной сигнализации и сейсмоакустического контроля.
Современный уровень развития науки, техники и технологий в промышленности и строительстве требует непрерывного повышения точности угловых измерений как для обеспечения результат отдельных ручных операций, так и для последовательного выполнения автоматического или полуавтоматического динамического измерения в рамках специализированных автоматизированных систем.
В настоящее время точность угловых измерений достигла очень высокого уровня благодаря использованию различных передовых методов и инструментов измерения. В последние годы методы, обычно используемые в приборах угловых измерений (инклинометрах), можно условно разделить на три категории в соответствии с принципом измерения: технология механического измерения, технология измерения электромагнитного угла и технология измерения оптического угла.
Механические и электромагнитные методы превалируют в измерениях линейно-угловых величин. Это объясняется простотой их применения, портативностью, невысокой стоимостью. К недостаткам можно отнести большой размер, невысокую точность и малую скоростью действия. Кроме того, в большинстве случаев динамическое измерение в реальном времени не выполнимо, а бесконтактное измерение не может быть реализовано. Оптическая гониометрия получила свое развитие благодаря появлению новых оптоэлектронных материалов и устройств. Главная особенность оптических методов заключается в том, что они имеют высокую точность и наглядность, а возможность бесконтактного измерения позволяет автоматизировать процесс измерения. Однако, данный метод не нашел большого практического распространения. Использование было ограничено источниками света и находится в пределах небольшой рабочей области, где трудно выполнить измерения с помощью традиционных методов.
В настоящее время выпускается большое количество инклинометров аналогового и цифрового типа, основанных на разных принципах работы (использование принципа жидкостного, конденсаторного, электронного, компенсатора и др.), различной точности и диапазона работы.
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.
Известно 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.
Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели, принятой за прототип, является двухосевой инклинометр ИН-Д3 (ЗАО «НТП «Горизонт») для измерения малых углов наклона и наклонных перемещений объекта по двум координатам.
Заявляемое устройство способно повысить чувствительность и точность измерений малых углов отклонения, уменьшить температурную погрешность измерений, обеспечить долговременную стабильность измерений, повысить помехоустойчивость, упростить конструкцию и уменьшить габариты, повысить удобство эксплуатации и обслуживания.
Для этого устройство представляет собой герметичный цилиндрический корпус, частично заполненный демпфирующей кремнийорганической жидкостью, в котором размещены чувствительный элемент - высокоточный первичный кварцевый преобразователь угла наклона, электронный блок, представляющий собой электронную плату, выполняющий функции измерения емкости первичных преобразователей угла наклона, преобразование измеренной емкости в цифровой код, обработку полученных данных, температурную коррекцию полученных данных, запоминание полученных прибором данных, передачу полученных данных по запросу внешних регистрирующих устройств, и расположенный в нижней части корпуса основания, на котором установлен чувствительный элемент и закреплен посредством крышки, закрывающей корпус со стороны нижнего основания. Главным элементом электронной схемы является микроконтроллер, выполняющий следующие функции: преобразование измеренной емкости в цифровой код, обработку полученных данных, передачу полученных данных по запросу внешних регистрирующих. Для подключения к внешним средствам обработки данных устройство имеет на корпусе розетку RJ45 для контактов с ответной частью - вилкой RJ45. Для интерфейса используются две жилы специального кабеля или экранированной витой пары. Питание подается по отдельным двум или более жилам интерфейсного кабеля. Показания угломера через интерфейс RS-485 передаются на контроллер или адаптер. Считывать показания углов наклона можно или непосредственно с дисплея контроллера, или с дисплея компьютера, к которому адаптер подключается по интерфейсу USB.
Вышеупомянутая совокупность отличительных признаков заявляемого устройства позволяет получить следующие положительные технические результаты:
- повышение компактности устройства;
- повышение надежности;
- повышение долговременной стабильности измерений:
- улучшение помехозащищенности;
- уменьшение температурной погрешности измерителя;
- повышение достоверности результатов измерений;
- повышение технологичности изготовления;
- повышение удобства эксплуатации и обслуживания.
Полезная модель имеет уточняющие и дополняющие развития, состоящие в том, что в качестве измерителя углового положения использован двухкоординатный маятниковый чувствительный элемент, двухкоординатность достигается путем использования двух отдельных одноосных чувствительный элемента, сориентированных во взаимно перпендикулярных направлениях, что обеспечивает независимость и надежность измерений по координатам оси X и У. Чувствительный элемент маятника выполнен из кварцевого стекла и содержит кварцевую роторную пластину 4 на маятниковом подвесе 5, шарнирные узлы (пережимы), связывающие подвес с рамой 6. Дифференциальный емкостной преобразователь содержит две неподвижные кварцевые статорные пластины 3, приваренные к раме 6 и ограничитель 1, расположенный с зазором относительно статорных пластин 3 и приваренный к раме 6 ниже элемента крепления статорных пластин, что частично ограничивает отклонение роторной пластины 4 от вертикальной оси. При этом статорные и роторные пластины имеют металлизированное напыление (электроды конденсаторных обкладок). Маятник имеет одну степень свободы по входной оси и большую жесткость по другим степеням. Рама и маятниковый подвес выполнены из одной детали, каждый шарнирный узел выполнен в виде двух обращенных один к другому конусов с общей вершиной, диаметр общей части не превышает 15 мкм, а длина шарнирного узла не превышает 0,2 мм.
Благодаря указанным отличительным признакам, в совокупности со свойствами кварцевого стекла, достигается следующий технический результат
- повышение чувствительности и обеспечения высокой стабильности геометрических размеров и упругих свойств подвеса;
- повышение помехоустойчивости и точность измерений;
- гарантирует хорошую, как долговременную, так и температурную стабильность измерений.
Корпус в совокупности с крышками не только обеспечивают формирование и работу чувствительного элемента (ЧЭ) устройства - герметичной цилиндрической камеры с демпфирующей кремнийорганической жидкостью, но и обеспечивают компактное размещение всех компонентов электронной схемы устройства, размещенных на одной печатной плате, помещенной под основанием, на котором расположены чувствительные элементы, и закрепленной нижней крышкой корпуса.
Применение микроконтроллера позволило резко сократить габариты измерительно-преобразующей системы (электронной схемы устройства) и обеспечило возможность ее размещения в одном компактном корпусе с чувствительным элементом.
В результате предлагаемое устройство для измерения угловых перемещений представляет собой компактное законченное устройство, с выхода которого снимаются уже готовые измерительные данные в форме, удобной и для расчетов, и для визуализации. Устройство отличается готовностью подключения к автоматизированным системам сбора данных и управления без необходимости использования дополнительных преобразующих устройств.
Благодаря размещению элементов электронной схемы на единой электронной плате прямо под основанием чувствительных 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. Благодаря отсутствию длинных проводов и подвижных частей, конструкция устройства обладает повышенной устойчивостью по отношению к любым нагрузкам, в том числе вибрационным и ударным, что обеспечивает надежность работы устройства при любых условиях эксплуатации.
Предлагаемая конструкция устройства 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.
Печатная плата с элементами электронной схемы размещена с внешней стороны основания, на котором установлены чувствительные элементы, в основании выполнены отверстия, которые снабжены герметичными контактами, 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 устройства, способствует высокой помехозащищенности и повышению достоверности измерительной информации.
Конструкция и работа устройства поясняются чертежами, где
на фиг. 1 - корпус, общий вид,
на фиг. 2 - изображен двухосевой инклинометр, общий вид;
на фиг. 3 - узел 1 на фиг. 2;
на фиг. 4 - показана структурная схема преобразователя перемещений (электронной платы) двухосевого инклинометра
Описанное выше устройство для измерения угловых перемещений работает следующим образом. Первичный кварцевый преобразователь - маятник представляет собой подвес из кварцевого стекла, несущий две кварцевые металлизированные пластины. Пластины помещены между двумя парами статорных кварцевых пластин, жестко связанных с корпусом устройства. Маятник имеет одну степень свободы по входной оси и большую жесткость по другим степеням. Линейное перемещение роторных пластин относительно статорных (корпуса), пропорциональное угловому отклонению, преобразуется емкостным дифференциальным преобразователем в выходной сигнал. На статорных и роторных пластинах имеется дополнительное напыление, выполняющую роль обкладок конденсатора. Дифференциальный емкостный преобразователь работает на принципе изменения площади перекрытия статорных и роторных пластин, при этом изменение емкости преобразуется в изменение напряжения.
Таким образом, при наличии отклонения вдоль оси X или У, соответствующий маятник отклоняется от своего среднего положения. Это отклонение фиксируется дифференциальным емкостным преобразователем перемещения, и дальше полученная информация преобразуется в напряжение, которое в свою очередь с помощью встроенного программного обеспечения преобразуется в измерительные данные в форме, удобной и для расчетов, и для визуализации.
Конструкция преобразователя перемещения выполняет измерение емкости первичных преобразователей угла наклона, преобразование измеренной емкости в цифровой код (данные), обработку полученных данных, температурную коррекцию полученных данных запоминание полученных данных, передачу полученных данных по запросу внешних регистрирующих приборов.