Маятниковый чувствительный элемент

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения угла отклонения от местной вертикали, в частности в цепях коррекции гировертикалей.
Известен двухкоординатный электролитический маятник (Михайлов О.И., Козлов И.М., Гергель Ф.С. Авиационные приборы. М.: Машиностроение, 1977, стр.87), который представляет плоскую медную чашу, заполненную токопроводящей жидкостью с большим удельным электролитическим сопротивлением. Жидкости в чаше столько, что остается место для воздушного пузырька. Чаша закрыта крышкой из изоляционного материала и имеет внутренний сферический радиус. В крышку вмонтированы четыре контакта, расположенных попарно диаметрально, площади которых и внутренний радиус крышки определяет зону пропорциональности, пятым контактом является сама медная чаша. Данный электролитический маятник используется качестве маятникового чувствительного элемента (МЧЭ) в системах продольной и поперечной коррекций гировертикалей. Информация об угле отклонения от вертикали содержится в изменении переходных сопротивлений диаметрально противоположных контактах в двух плоскостях.
Недостатком данного МЧЭ является незначительная линейность в выходном сигнале, взаимосвязь каналов при отклонении по перекрестной оси и практическое отсутствие демпфирования.
Известен акселерометр прямого измерения АТ-1101 АТ-1102, отличающиеся только креплением (Былинкин С.Ф., Комаров Н.А., Лосев В.В. Акселерометры серии АТ, разрабатываемые и выпускаемые ОАО НПП «Темп-Авиа». [Электронный ресурс] / Режим доступа:  https://cyberleninka.ru/article/n/akselerometry-serii-at-razrabatyvaemye-i-vypuskaemye-oao-anpp-temp-avia/viewer), который состоит из кристаллической пластины-маятника, подвешенного в одноосном упругом кристаллическом подвесе, емкостного датчика угла, подвижные пластины которого являются ротором и нанесены на маятник, а неподвижные расположены на корпусе и являются статором датчика угла. Маятниковая пластина одновременно является воздушным демпфером. Для питания датчика угла и преобразования выходного сигнала к стандартному виду (5В на диапазон измерения) имеется встроенный микроэлектронный узел.
К недостаткам АТ-1101 следует отнести сложности построения систем коррекции гироскопических приборов на его основе в силу того, что в них коррекционными моторами являются двухфазные индукционные двигатели, а также слабое демпфирование собственно маятника, а также высокая стоимость.
Известен однокоординатный жидкостный маятниковый датчик - ДЖМ-9Б (Система курсовертикали типа СКВ-2Н. Руководство по эксплуатации и техническому обслуживанию. М.: Машиностроение, 1975, стр. 49), который в виде МЧЭ используется в системах продольной и поперечной коррекций гировертикалей и в системе  горизонтальной коррекции гирополукомпаса, принятый за прототип. Датчик представляет корпус (стеклянную ампулу) с тремя впаянными в нее платиновыми контактами с токоотводами. Колба заполнена незамерзающей токопроводящей жидкостью - насыщенный раствор хлористого лития в метиловом спирте так, что в ней остается воздушный пузырек, который при горизонтальном положении колбы одинаково перекрывает два информационных контакта, третий общий,  всегда находится в жидкости. Информация об угле отклонения от плоскости горизонта (местной вертикали) содержится в устройстве съема сигнала, выполненного в виде диаметрально противоположных контактов, вмонтированных в корпус, переходные сопротивления контактов изменяются относительно общего контакта при отклонении корпуса ДЖМ-9Б от плоскости горизонта.
Хотя в ДЖМ-9Б устранено (сведено к минимуму) влияние канала на канал при применении двух датчиков, расположенных перпендикулярно, но недостаток -  незначительная величина линейности выходного сигнала и практическое отсутствие демпфирования, остался так же, как и в ЖМП, При этом следует отметить как ЖМП, так и ДЖМ-9Б рационально подключаются к коррекционным моторам, которые в гировертикалях и гирополукомпасах работают на переменном токе и представляют управляемые двухфазные индукционные двигатели.
Технический результат, на достижение которого направлена полезная модель, заключается в повышении динамической точности за счет создания регулируемого демпфирования маятника с заданной зоной линейности выходного сигнала, что особенно важно при построении систем коррекции гироскопических приборов ориентации.
N
Технический результат достигается тем, что в маятниковом чувствительном элементе, содержащем герметичный корпус, заполненный дозированным объемом токопроводящей жидкости, являющейся физическим маятником, устройство съема сигнала, причем устройство съема сигнала выполнено в виде маятникового индуктивного датчика угла, статор которого жестко крепится к корпусу, а ротор установлен в опоре подвеса и представляет физический маятник, на котором закреплен крыльчатый демпфер, состоящий из  плоских пластин с отверстиями, ориентированными своими плоскостями в направлении оси вращения, при этом центр масс ротора датчика угла смещен относительно оси вращения в направлении создания нижней маятниковости, на корпусе устройства установлен сильфон, а жидкость, заполняющая внутреннюю полость корпуса, является демпфирующей и нетокопроводящей.
Эскиз конструкции МЧЭ изображен на фиг.1, на которой приняты следующие обозначения
1 – Корпус.
2 – Статор датчика угла.
3 – Ротор датчика угла (выполнен в виде маятника).
4 – Ось подвеса.
5 – Крыльчатый демфер.
6 – Пластина крыльчатого демпфера.
7 – Демпфирующая  жидкость.
8 – Обмотка питания.
9 – Обмотка сигнальная первая.
10 – Обмотка сигнальная вторая.
11.1 и 11.2 – Гермовводы обмотки питания.
12.1 и 12.2 – Гермовводы обмоток сигнальных.
13 – Опора подвеса.
14 – Сильфон.
На фиг.1 и в формулах в тексте приняты следующие буквенные обозначения:
С – центр масс маятника.
l
– смещение центра масс маятника относительно оси подвеса.
U
п
– напряжение питания.
U
В
– напряжение выходное (сигнальных обмоток).
– угол отклонения, радиус и ширина ротора датчика угла.
– изменение площади перекрытия стержней статора.
ml
N
В соответствии с фиг.1 МЧЭ выполнен в виде маятникового датчика угла индуктивного типа и состоит из статора 2, жестко закрепленного на корпусе 1, и ротора датчика угла 3, установленного на оси вращения 4, например в опоре подвеса 13. В данном варианте конструкции ось 4 неподвижна, а наружные кольца шарикоподшипников, на которые посажен ротор 3, могут вращаться. Ротор 3 имеет нижнюю маятниковость , так как он специально выполнен несбалансированным. С ротором связан крыльчатый демпфер 5, состоящий из  (57) пластин 6, в которых для улучшения демпфирования имеются отверстия. Корпус 1 герметичный и заполнен демпфирующей жидкостью 7, например смесью лигроина со спиртом. Жидкость 7, с одной стороны, разгружает опоры подвеса, повышая тем самым чувствительность МЧЭ, а, с другой стороны, она обеспечивает демпфирование движения ротора, что уменьшает динамическую погрешность. Регулируемое демпфирование обеспечивается на этапе проектирования и определяется числом и формой пластин 6 крыльчатого демпфера. Конструктивно ротор 3 выполнен в виде сектора и состоит из пермаллоевых пластин. Статор 2 имеет, например, Ш-образную форму, на среднем стержне размещена обмотка питания (возбуждения) 8, а на крайних стержнях соответственно обмотка сигнальная первая 9 и обмотка сигнальная вторая 10. Для подвода питания используются гермовводы обмотки питания 11.1 и 11.2, а для съема сигнала - гермовводы обмоток сигнальных12.1 и 12.2. Для компенсации изменения объема жидкости применен сильфон 14. Для ограничения угла отклонения  ротора датчика угла 3 в пределах  в конструкции должны быть предусмотрены упоры (на фиг.1 условно не показаны).
МЧЭ работает следующим образом. При подаче напряжения  переменного тока на обмотку возбуждения 8 создается пульсирующий магнитный поток, который замыкается через левый и правый стержни Ш-образного статора 2. Если ротор находится в среднем положении, когда , то площади перекрытия ротором 3 боковых стержней статора одинаковы, индуктивности сигнальных обмоток 9 и 10 одинаковы и соответственно в них будут наведены равные по амплитуде и отличающиеся на  напряжения (ЭДС).
При отклонении корпуса 1 от плоскости местного горизонта (местной вертикали) ротор датчика угла 3 также отклоняется на угол . Например, при отклонении корпуса 1 влево ротор останется на местной вертикали. При этом левый стержень Ш-образного статора 2 будет перекрыт ротором больше на величину , а правый стержень будет перекрыт ротором соответственно меньше на такую же величину. Следовательно, индуктивность левого стержня увеличится, а правого уменьшится на одинаковую величину, что приведет увеличению амплитуды ЭДС на второй (левой) сигнальной обмотке 10 и соответственно к уменьшению амплитуды ЭДС на первой (правой) сигнальной обмотке 9. Таким образом, напряжения на сигнальных обмотках будут равны
,
где – амплитуда при нулевом отклонении ротора; – частота питающего напряжения; – коэффициент пропорциональности, который будет зависеть от электрических, геометрических и магнитных параметров магнитной цепи и обмоток.
При дифференциальной схеме включения сигнальных обмоток  выходное напряжение будет равно
.
Возможны также другие варианты использования ЭДС сигнальных обмоток, например, мостовая схема.
Порог чувствительности маятникового датчика угла будет определяться остаточным моментом трения и небаланса, а зона пропорциональности будет в основном зависеть от геометрических размеров боковых стержней Ш-образного статора и радиуса ротора
,
где S – площадь поверхности боковых стержней;
b – ширина магнитопровода статора;
r – радиус ротора;
- половина зоны пропорциональности.
Применение и реализация.
Предлагаемый МЧЭ можно применять, например, в одноосных горизонтальных гиростабилизаторах, в которых для компенсации виражных погрешностей применен маятниковый датчик угла с зоной линейности порядка 10 градусов (АС № 790923. Одноосный силовой горизонтальный гиростабилизатор / Арутюнов С.С., Хохлов В.М.  Опубликовано 07.01.1982, Бюллетень №1).
Для проверки работоспособности был изготовлен макет МЧЭ на базе датчика угла, который применен в системе стабилизации следящей рамы авиагоризонта АГД-1  (Михайлов О.И., Козлов И.М., Гергель Ф.С. Авиационные приборы. М.: Машиностроение, 1977, стр.98). Заданная зона линейности будет определяться конструкцией - геометрическими параметрами магнитной системы датчики угла.
При определенной миниатюризации маятникового датчика угла можно спроектировать МЧЭ, который по габаритам будет немного больше, чем ДЖМ-9Б, а по стоимости значительно меньше, и может заменить в пилотажных авиагоризонтах, включая резервные, электролитические МЧЭ.