УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА НАКЛОНА ПЛОСКОСТИ
DEVICE FOR MEASURING ANGLE OF INCLINATION PLANE

Область техники
Устройство относится к области измерительной техники и может быть использовано в геодезии; при строительстве протяженных гидротехнических сооружений; при создании приборов и устройств, требующих привязки к уровню горизонта; а также в технике физического эксперимента.
Уровень техники
Многие приборы для измерения угла наклона поверхности работают на принципе сообщающихся сосудов: теодолиты, манометры, нивелиры. Для определения угла наклона с помощью сообщающихся сосудов требуется знать уровень жидкости в них и расстояние между сосудами. Точность измерений таких приборов зависит от устройства измерения высоты столба жидкости в сосуде. Для измерения высоты столба жидкости используется либо шкала, нанесенная на сосуд, либо шкала, специально разработанная для данного устройства. Как правило, точность измерения с помощью обычных шкал не превышает 0.5 мм. Лучшую точность имеют инклинометры, обладающие двойной шкалой измерения. Их точность для большинства моделей составляет ±0.1°. Лучшую точность имеют инклинометры NB3 фирмы Seika (0.001° в диапазоне углов ±10°) [1], что для ряда приложений является не достаточным как по диапазону измеряемых углов, так и точности измерения. Для решения данной задачи были предложены различные способы и устройства.
Известен способ определения угла наклона и датчик угла наклона [2], в котором применяется магнитная жидкость, помещенная в U-образный трубчатый гидроуровень, на одном из концов которого выполнена обмотка, связанная с электрической схемой. При наклоне U-образного трубчатого гидроуровня магнитная жидкость попадает в зону обмотки. По изменению электрической характеристики обмотки регистрируется уровень жидкости в трубке, требуемый для вычисления угла наклона.
Известен способ определения угла наклона и устройство для его осуществления [3], основанный на перемещении тела качения относительно стационарного положения в камере с жидкостью под действием силы тяжести. Перемещение тела происходит в чувствительной зоне, создаваемой активным элементом, расположенным ниже корпуса камеры. Расстояние между активным элементом и телом качения регулируется. В зависимости от способа создания чувствительной зоны активный элемент может состоять из: 1) металлических обкладок, расположенных концентрическим образом и образующих электрическую емкость между собой; 2) катушки индуктивности: 3) постоянного магнита. В качестве тела качения может использоваться шар, диск или цилиндр, а поверхность качения выполняют в виде сферы, конуса или поверхности с заданной кривизной. Поверхность для перемещения тела качения имеет фиксированный угол относительно уровня горизонта. При наклоне поверхности качения, превышающем заданный угол, тело начинает катиться под действием силы тяжести до точки, касательная в которой параллельна уровню горизонта. Амплитуда сигнала, формируемого активным элементом, зависит от положения тела качения, что позволяет определять угол наклона.
У этого известного технического решения имеются недостатки:
- при реализации поверхности для качения в симметричном виде в плоскости XY (сфера, конус и другие, заявляемые автором) направление качения, а следовательно, и угол наклона, является неопределенным при заявленных способах регистрации, так как при одинаковом отклонении в любую сторону амплитуда сигнала будет идентичной;
- точность регистрации угла наклона зависит от крутизны катящей поверхности и будет падать с ее увеличением, что требуется для увеличения диапазона измеряемых углов;
- способ определения имеет температурную зависимость, по крайней мере, при емкостном варианте регистрации сигнала, связанную с температурной зависимостью диэлектрической постоянной жидкости.
Известен способ определения угла наклона плоскости по величине емкости конденсаторов, помещенных в сообщающиеся сосуды [4], выбранный в качестве прототипа. Устройство для реализации этого способа содержит два жидкостных конденсатора, помещенные в сосуды из диэлектрического материала. Сосуды установлены на общей подложке на определенном расстоянии относительно друг друга и соединены между собой трубкой. Верхние обкладки конденсаторов плавают на поверхности жидкости, а нижние обкладки подключены к нулевому проводу устройства. Высота столба жидкости в сосудах, необходимая для вычисления угла наклона, определяется путем одновременного измерения емкости конденсаторов, помещенных в сосуды, между обкладками которых находится жидкость. По измеренным значениям емкостей вычисляют угол наклона плоскости, определяемый линией горизонта и линией, проходящей через центры основания сосудов. Влияние неточности измерения размеров устройства компенсируется с помощью предварительной калибровки. Влияние температуры на точность измерения емкости также учитывается по зависимости диэлектрической проницаемости жидкости и материала сосудов от температуры.
-6
-7
-9
Ставилась задача разработать устройство измерения угла наклона плоскости с точностью измерения угла (10-10)° для техники физического эксперимента, что почти на два порядка превышает точность измерения прототипа. Устройство должно отличаться высокой надежностью, доступностью в реализации и удобством в применении. Например, проектируемый ускоритель в рамках международного проекта "Компактный Линейный Коллайдер" (The Compact Linear Collider) [5] должен обеспечить электронный пучок по вертикальной координате порядка 5·10 метра [6]. Для обеспечения требований монтаж ускорительных элементов пучка, криомодулей, необходимо выполнять с прецизионной точностью. Поэтому задача контроля угла наклона криомодулей при их установке является важной проблемой.
Раскрытие изобретения
Поставленная задача решается тем, что берется известный способ измерения угла наклона с помощью сообщающихся сосудов посредством измерения уровня жидкости в сосудах емкостным методом. Устройство для реализации способа включает два жидкостных конденсатора, сообщающихся между собой с помощью соединительной трубки. Каждый конденсатор представляет собой сосуд из диэлектрического материала. Сосуды помещаются на общей подложке на определенном расстоянии относительно друг друга. Нижние обкладки конденсаторов крепятся к дну сосуда и подключаются к нулевому потенциалу, а верхние обкладки свободно плавают на поверхности жидкости, помещенной в сосуды. При такой реализации конденсаторов их емкость пропорциональна величине столба жидкости в сосуде, требуемой для вычисления угла наклона плоскости. Кроме того, в устройство введены два автогенератора, прибор для измерения частоты и для каждого конденсатора две индуктивности фиксированной величины, соединенные последовательно. Один вывод соединенных индуктивностей подключается к верхней обкладке соответствующего конденсатора, а другой - к нулевому проводу устройства. Индуктивности совместно с конденсаторами образуют резонансные LC схемы, которые подключены к частотозадающим входам автогенераторов. Выходы автогенераторов подключены к прибору одновременного измерения частоты автогенераторов, значения которых позволяют вычислить угол наклона плоскости по формуле:
φ - измеряемый угол наклона плоскости;
R - расстояние между сосудами, определяемое по линии между центрами их оснований;
k - коэффициент отношения калиброванных площадей обкладок конденсаторов;
К
H - калиброванное значение высоты столба жидкости в сосудах при нулевом угле наклона;
0
ε - диэлектрическая постоянная вакуума;
ε - диэлектрическая проницаемость жидкости;
1К
S - калиброванная площадь верхней обкладки конденсатора в первом сосуде;
2К
S - калиброванная площадь верхней обкладки конденсатора во втором сосуде;
1
2
L=L+L - суммарная индуктивность LC схемы.
2
1
2
Отношение индуктивностей L/(L и L) позволяет регулировать амплитуду автогенератора;
1К
f - частота первого автогенератора при калибровке;
2К
f - частота второго автогенератора при калибровке;
1П
f - частота первого автогенератора в режиме определения паразитной емкости соединительных проводов и входа автогенератора;
2П
f - частота второго автогенератора в режиме определения паразитной емкости соединительных проводов и входа автогенератора;
1
f - частота первого автогенератора при измерении угла наклона;
2
f - частота второго автогенератора при измерении угла наклона.
1
2
2
1
2
При измерении угла наклона подложка с конденсаторами устанавливается на измеряемую плоскость. В соответствии с принципом работы сообщающихся сосудов уровень жидкости относительно линии горизонта в них будет одинаковым. При этом в зависимости от наклона в одном сосуде высота жидкости относительно нулевого угла наклона уменьшится, а в другом увеличится на одну и ту же величину, что приведет к изменению значения емкостей конденсаторов. Для определения угла наклона плоскости измеряют резонансные частоты каждой LC схемы, образованной индуктивностью фиксированной величины и емкостью конденсатора. Для этого к верхним обкладкам конденсаторов подключают индуктивности фиксированного номинала L=L+L, которые совместно с емкостью конденсаторов образуют параллельные резонансные LC схемы. Каждая LC схема используется в качестве частотозадающего узла автогенератора, частота которого пропорциональна высоте столба жидкости и зависит от угла наклона плоскости. Амплитуда сигнала автогенератора регулируется отношением индуктивностей в цепи обратной связи L/(L+L). Приборы измерения частоты имеют более высокую точность, поэтому измерение емкости с использованием частотного преобразования с помощью LC схемы позволяет существенно улучшить точность определения угла наклона плоскости. Чтобы повысить точность определения угла наклона предлагаемого устройства, площади обкладок конденсаторов, высоту столба жидкости в сосудах и паразитные емкости соединительных проводов калибруют при нулевом угле наклона.
Для учета влияния температуры одновременно с измерением угла наклона плоскости измеряют температуру окружающей среды и корректируют погрешность изменения столба жидкости в сосудах, связанную с температурным расширением используемой жидкости и материала сосудов, исходя из их известной зависимости от температуры, а угол наклона вычисляют по формуле:
φ - измеряемый угол наклона плоскости;
К
H - калиброванное значение высоты столба жидкости в сосуде при нулевом угле наклона;
R - расстояние между сосудами, определяемое по линии между центрами их оснований;
Т - температура окружающей среды при измерении наклона;
К
Т - температура окружающей среды во время калибровки;
ж
α(Т) - значение коэффициента температурного расширения жидкости при температуре измерения угла наклона;
ж
К
α(Т) - значение коэффициента температурного расширения жидкости при температуре калибровки;
с
α(Т) - значение коэффициента температурного расширения материала сосуда при температуре измерения угла наклона;
с
К
α(T) - значение коэффициента температурного расширения материала сосуда при температуре калибровки;
1
f - частота первого автогенератора при измерении угла наклона;
2
f - частота второго автогенератора при измерении угла наклона;
1П
f - частота первого автогенератора в режиме определения паразитной емкости соединительных проводов и входа автогенератора;
2П
f - частота второго автогенератора в режиме определения паразитной емкости соединительных проводов и входа автогенератора.
Совокупность указанных решений позволяет повысить точность измерения угла наклона и обеспечить требования, предъявляемые в технике физического эксперимента.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами:
1. На фигуре 1 (приложение 1) показано устройство измерения угла наклона плоскости в режиме калибровки.
2. На фиг. 2 (приложение 1) показано устройство для измерения угла наклона плоскости в режиме измерения.
3. На фиг. 3 (приложение 2) приведена зависимость диэлектрической проницаемости воды от температуры.
4. На фиг. 4 (приложение 3) показан вариант реализации схемы автогенератора.
Элементы устройства показаны на фиг. 1 (приложение 1) в режиме калибровки и фиг. 2 (приложение 1) - в режиме измерения угла наклона плоскости. Предлагаемое устройство включает: 1 и 5 - индуктивности резонансных LC схем; 2 и 4 - автогенераторы; 3 - прибор для одновременного измерения частоты автогенераторов; 6 и 7 - сообщающиеся сосуды; 8 и 9 - верхние обкладки конденсаторов; 12 - соединительная трубка; 13 - подложка для установки сосудов; 14 и 15 - нижние обкладки конденсаторов.
1
2
1
2
1
2
2
1
2
Схема автогенератора реализована на основе операционного усилителя с температурной компенсацией - U1. Резонансная LC схема состоит из емкости конденсатора - С, соединенного параллельно с индуктивностями фиксированной величины L и L, причем L=L+L. Суммарное значение индуктивностей совместно с емкостью конденсатора определяет частоту колебаний автогенератора. Делитель из индуктивностей (L и L) позволяет подстроить амплитуду сигнала автогенератора пропорционально L/(L+L).
Работа устройства основана на принципе сообщающихся сосудов, который позволяет определить угол наклона плоскости по разности высот столбов жидкости в сосудах и расстоянию между сосудами:
φ - измеряемый угол наклона;
1
H - уровень жидкости в первом сосуде;
2
Н - уровень жидкости во втором сосуде;
R - расстояние между сосудами.
Точность измерения высоты столба жидкости в сосуде можно повысить за счет преобразования высоты жидкости в сосуде в частоту резонансной LC схемы, образованной внешней индуктивностью L фиксированного номинала и емкостью жидкостного конденсатора С. В этом случае формула для вычисления угла наклона плоскости имеет вид:
где:
φ - измеряемый угол наклона;
К
H - калиброванная высота столба жидкости в сосудах при нулевом угле наклона;
R - расстояние между сосудами, определяемое по линии между центрами их оснований;
1
f - частота первого автогенератора при измерении угла наклона;
2
f - частота второго автогенератора при измерении угла наклона.
Чтобы обеспечить высокую точность определения угла наклона, площади верхних обкладок конденсаторов и высоту столба жидкости в сосудах калибруют при нулевом угле наклона и измеренной температуре. Элементы способа в режиме калибровки показаны на фиг. 1 (приложение 1). Калибровка позволяет учесть паразитную емкость соединительных проводов, нелинейные эффекты на краях конденсаторов, компенсировать ошибку измерения площади обкладок, с высокой точностью определить первоначальную высоту столба жидкости в сосудах и более точно определить расстояние между сосудами.
1И
2И
1
2
1
2
Калибровка выполняется следующим образом. Предварительно измеряется площадь верхних обкладок конденсаторов (8, 9), которые равны S и S соответственно для первого и второго конденсатора. Нижние обкладки конденсаторов (14, 15) крепятся на дне сосудов и могут иметь большую площадь. Они соединяются с проводом нулевого потенциала устройства. Критичной является площадь верхних обкладок. Далее сосуды 6 и 7 закрепляют на подложке 13, которую устанавливают на плоскость с нулевым уклоном. Между собой сосуды сообщаются с помощью трубки 12. При отключенных обкладках конденсаторов измеряют паразитные емкости входов автогенераторов и проводов, соединяющих обкладки с входами автогенераторов 2 и 4. В предлагаемом устройстве верхние обкладки конденсаторов подключают к частотозадающим входам автогенераторов 2 и 4. К этим входам также подключают последовательно соединенные индуктивности L и L фиксированной величины, нижний вывод которых подключается к нулевому проводу устройства. Паразитные емкости проводов и входа автогенератора совместно с индуктивностями 1 и 5 образуют резонансные LC схемы L=L+L. Частота автогенераторов определяется фиксированной величиной индуктивности L и паразитной емкостью входа автогенератора и соединительных проводов. Она измеряется прибором измерения частоты 3. По измеренным частотам вычисляются суммарную паразитную емкость в каждом канале регистрации:
1
1П
2
ΔC=1/(2πf)·L
2
2П
2
ΔC=1/(2πf)·L
1
ΔC - паразитная емкость входа автогенератора и проводов для подключения конденсатора в первом сосуде;
2
ΔС - паразитная емкость входа автогенератора и проводов для подключения конденсатора во втором сосуде;
1П
f - частота первого автогенератора в режиме определения паразитной емкости;
2П
f - частота второго автогенератора в режиме определения паразитной емкости;
1
2
L=L+L - суммарное значение индуктивности LC схемы.
10
20
Затем к проводам подключают верхние обкладки конденсаторов 8 и 9, и в сосуды 6 и 7 наливают определенное количество жидкости. В этом случае уровни жидкости в сосудах 10, 11 будут одинаковыми, а емкости конденсаторов между обкладками 8, 14 (С) и обкладками 9, 15 (С) будут отличаться только за счет разницы площадей обкладок, краевых эффектов и определяться соотношениями:
10
С - значение емкости первого конденсатора в режиме калибровки;
20
С - значение емкости второго конденсатора в режиме калибровки;
0
ε - диэлектрическая постоянная вакуума;
ε - диэлектрическая проницаемость жидкости;
10
20
1
2
Отношение величин емкостей С и С с учетом измеренных поправок ΔС, ΔС равно отношению калиброванных площадей конденсаторов, которое будет константой при любом количестве жидкости в сосудах. Это позволяет компенсировать относительную ошибку в измерении площадей и учесть краевые эффекты обкладок конденсаторов.
k - коэффициент отношения калиброванных площадей конденсаторов.
Калиброванные значения площадей обкладок выражаются соотношениями:
1К
1И
1
2К
2И
2
S=S±ΔS S=S±ΔS
1К
S - калиброванная площадь верхней обкладки первого конденсатора;
2К
S - калиброванная площадь верхней обкладки второго конденсатора;
1И
S - измеренное значение площади верхней обкладки в первом сосуде;
2И
S - измеренное значение площади верхней обкладки во втором сосуде;
1
ΔS - ошибка измерения площади верхней обкладки в первом сосуде;
2
ΔS - ошибка измерения площади верхней обкладки во втором сосуде.
Сосуды изготавливаются одинаковыми по форме и объему. Верхние обкладки конденсаторов также желательно сделать идентичными. Коэффициент k можно определить через измеренные площади обкладок конденсаторов:
При равной ошибке измерения площадей обкладок конденсаторов справедливы соотношения:
1И
2И
p=S/S - отношение измеренных площадей обкладок конденсаторов.
Минимальная ошибка определения площадей обкладок конденсаторов соответствует случаям, когда равные ошибки имеют противоположные знаки:
1
2
Знак ошибки площадей выбирается с учетом величин k и p. В случае k<p выбирается положительный знак для ошибки ΔS и отрицательный для ΔS. Для случая k>p знаки ошибок заменяются на противоположные. Следует подчеркнуть, что коэффициент k определяется независимым отношением емкостей при калибровке, а коэффициент p определяется отношением измеренных площадей верхних обкладок конденсаторов. При другой комбинации знаков величина ошибок приближается к значению измеряемой площади, что для данной модели оценки ошибок является неправдоподобным и не рассматривается.
1К
2К
Калиброванные значения емкостей в сосудах C (обкладки 8, 14) и C (обкладки 9, 15) определяются по измеренным частотам автогенераторов:
1К
10
1
10
1П
2
2
C=C-ΔC=1/(2πf)·L-1/(2πf)·L
2К
20
2
20
2П
2
2
C=C-ΔC=1/(2πf)·L-1/(2πf)·L
1К
C - калиброванное значение емкости первого конденсатора;
2К
C - калиброванное значение емкости второго конденсатора;
10
С - емкость первого конденсатора в режиме калибровки;
20
С - емкость второго конденсатора в режиме калибровки;
1
ΔС - паразитная емкость входа автогенератора и проводов для подключения конденсатора в первом сосуде;
2
ΔС - паразитная емкость входа автогенератора и проводов для подключения конденсатора во втором сосуде;
10
f - частота первого автогенератора в режиме калибровки;
20
f - частота второго автогенератора в режиме калибровки;
1П
f - частота первого автогенератора в режиме определения паразитной емкости проводов и входа автогенератора;
2П
f - частота второго автогенератора в режиме определения паразитной емкости проводов и входа автогенератора;
1
2
L=L+L - суммарное значение индуктивности контура.
К
При калиброванном значении площадей обкладок конденсаторов и их емкостей можно прокалибровать уровень жидкости в сосудах при нулевом наклоне H, который равен:
2
-7
К
Высота столба жидкости, налитой в сосуды, зависит и от диэлектрической проницаемости жидкости. В качестве жидкости предпочтительно выбрать воду. Она обладает высоким значением коэффициента диэлектрической проницаемости (~80), что позволяет сделать компактными размеры сосудов, и безопасна в работе. График зависимости диэлектрической проницаемости воды ε от температуры T приведен на фиг. 3 (приложение 2). Зависимость имеет вид: ε=0.00079T-0.4Т+88. Относительная ошибка значения диэлектрической проницаемости составляет менее 10 во всем диапазоне рабочих температур. Ошибка измерения высоты H складывается из ошибки определения площади конденсатора, ошибки измерения емкости и ошибки значения диэлектрической проницаемости.
-8
-7
-7
-5
-6
-7
К
Калибровка площадей конденсаторов и их емкостей с использованием преобразования в частоту позволяет получить ошибку порядка 5×10. Ошибка измерения емкостей с помощью частотного преобразования составляет менее 10. Поэтому суммарная ошибка определения высоты H с учетом калибровки не превышает 2×10. При оценке точности определения угла наклона следует также учесть ошибку определения расстояния между сосудами. Приборы измерения расстояния в интервале 50-100 см имеют относительную ошибку 10-10, что существенно ниже точности измерения других параметров устройства. Точность определения расстояния между сосудами можно также повысить за счет калибровки. Для этого устройство устанавливается на плоскость с фиксированным углом наклона. Поскольку остальные параметры устройства прокалиброваны с точностью лучше 10, то в формуле зависимости угла наклона неизвестным выбирается расстояние между сосудами, которое определяется с точностью, аналогичной измерению других параметров.
Процесс измерения угла наклона иллюстрирует фиг. 2 (приложение 1). При указанном на фигуре наклоне часть жидкости из сосуда 7 по соединительной трубке 12 будет перетекать в сосуд 6 до установления одинакового уровня в обоих сосудах относительно уровня горизонта. При этом высота столба жидкости 10 в сосуде 6 относительно нулевого угла наклона увеличится на величину h, а высота столба жидкости 11 в сосуде 7 уменьшится на величину h, что приведет к изменению емкостей конденсаторов. Емкость конденсатора в сосуде 6 (обкладки 8, 14) уменьшится и составит
Емкость конденсатора в сосуде 7 (обкладки 9, 15) увеличится и составит:
1
2
Значения емкостей C и С позволяют определить величину изменения столба жидкости в сосудах h:
1
2
Величины емкостей С и С определяются по измеренным частотам автогенераторов:
1
1
2
2
2
2
C=1/(2πf)L, C=1/(2πf)L
1
f - частота автогенератора 2 при измерении угла наклона плоскости;
2
f - частота автогенератора 4 при измерении угла наклона плоскости;
1
C - емкость первого конденсатора (обкладки 8, 14) при измерении угла наклона плоскости;
2
C - емкость второго конденсатора (обкладки 9, 15) при измерении угла наклона плоскости;
1
ΔC - паразитная емкость входа автогенератора 2 и проводов для подключения конденсатора в первом сосуде;
2
ΔC - паразитная емкость входа автогенератора 4 и проводов для подключения конденсатора во втором сосуде;
k - коэффициент отношения калиброванных площадей обкладок конденсаторов;
1
2
L=L+L - суммарное значение индуктивности контура.
Из тригонометрических соотношений следует, что угол наклона равен:
где:
φ - измеряемый угол наклона;
К
H - калиброванное значение высоты столба жидкости в сосуде;
R - расстояние между сосудами, определяемое по линии между центрами их оснований;
k - коэффициент отношения калиброванных площадей верхних обкладок конденсаторов;
1
f - частота автогенератора 2 при измерении угла наклона;
2
f - частота автогенератора 4 при измерении угла наклона;
1П
f - частота первого автогенератора в режиме определения паразитной емкости входа автогенератора и проводов для подключения конденсатора в первом сосуде;
2П
f - частота второго автогенератора в режиме определения паразитной емкости входа автогенератора и проводов для подключения конденсатора во втором сосуде.
-5
Современные приборы измерения емкости позволяют измерить ее величину с точностью 10 пФ. Измерение емкости с помощью предложенного технического решения повышает точность ее измерения, а, следовательно, и точность определения угла наклона плоскости, на два порядка, что подтверждается приведенной ниже оценкой.
Частота резонансной LC схемы и ее изменение от емкости определяются соотношениями:
7
-7
-3
-7
При частоте автогенератора 1.5·10 Гц и точности ее измерения 0.1 Гц, емкости конденсатора 30 пФ, точность измерения емкости составит dC=4·10 пФ. Стандартные приборы измерения частоты имеют точность измерения 10 Гц, поэтому точность измерения емкости 10 пФ вполне достижима. Основной вклад в ошибку измерения угла наклона будет вносить точность измерения расстояния между сосудами R, которая в результате калибровки также существенно улучшается.
Для учета влияния температуры одновременно с измерением емкостей конденсаторов измеряют температуру окружающей среды и корректируют погрешность изменения столба жидкости в сосудах, связанную с температурным расширением используемой жидкости и материала сосудов, исходя из их известной зависимости от температуры, а угол наклона вычисляют по формуле:
где:
φ - измеряемый угол наклона плоскости;
К
H - калиброванное значение высоты столба жидкости в сосуде;
R - расстояние между сосудами, определяемое по линии между центрами их оснований;
Т - температура окружающей среды при измерении угла наклона;
К
Т - температура окружающей среды при калибровке;
ж
α(T) - значение коэффициента температурного расширения жидкости при температуре измерения угла наклона;
ж
К
α(Т) - значение коэффициента температурного расширения жидкости при температуре калибровки;
с
α(Т) - значение коэффициента температурного расширения материала сосуда при температуре измерения угла наклона;
с
К
α(T) - значение коэффициента температурного расширения материала сосуда при температуре калибровки;
1
f - частота первого автогенератора при измерении угла наклона;
2
f - частота второго автогенератора при измерении угла наклона;
1П
f - частота первого автогенератора в режиме определения паразитной емкости входа автогенератора и проводов для подключения конденсатора в первом сосуде;
2П
f - частота второго автогенератора в режиме определения паразитной емкости входа автогенератора и проводов для подключения конденсатора во втором сосуде.
-4
Для реализации устройства известны требующиеся приборы и детали. Стеклянную трубку, соединяющую сосуды, можно выбрать в каталоге и заказать в компании SCHOT Tubing [7]. Малый диаметр трубки позволяет компенсировать вибрацию жидкости. Компания выпускает трубки диаметром 1-10 мм и длиной до 3 м. Точность измерения температуры с помощью цифрового термометра РМТЕМР1 [8] равна 0.2° и отвечает предъявляемым требованиям. В качестве прибора измерения частоты можно использовать частотомер фирмы Agilent Technologies 53131А [9], который позволяет регистрировать частоту с точностью 5·10 Гц. На фиг. 4 (приложение 3) приведен вариант схемы автогенератора. Отличительной особенностью схемы является высокая стабильность частоты и слабое влияние температуры. В схеме отсутствуют резисторы, наиболее подверженные температурному влиянию, а операционные усилители должны выбираться с учетом наличия в их схеме внутренней температурной компенсации.
Литература
[1] Датчик угла наклона NB3 фирмы SEIKA Mikrosystemtechnik GmbH,
www.prosensor.ru/article63.html
[2] Патент на изобретение №2397443 RU
[3] Патент на изобретение №2455616 RU
[4] Патент на изобретение №2521270 RU
[5] The Compact Linear Collider
http://clic-study.org
[6] "CLIC design, parameters and layout"
http://clic-study.org
[7] Стеклянные трубки компании SCHOT Tubing
www.schot.com
[8] Термометр цифровой PMTEMP1
www.chipdip.ru
[9] Частотомер 53131A, Agilent Technologies.