Устройство для измерения угла наклона

Наиболее близким к изобретению является наклономер [1] в котором угловое смещение корпуса преобразуется в линейное смещение уровня жидкости за счет эффекта трансформации уровня при переходе жидкости из большей емкости в меньшую.Недостатком устройства является низкая точность по причине нестабильности уровня жидкости в измерительных трубках при наклонах корпуса в широком диапазоне.Задачей изобретения является повышение точности измерений.Указанный технический результат достигается за счет того, что в ультразвуковом наклономере, содержащем корпус, частично заполненный жидкостью с большим удельным весом и разделенный перегородкой на две равные емкости так, что жидкость сообщается в нижней части корпуса, измерительные трубки, гидравлически связанные соответственно с каждой из емкостей полости корпуса, жидкость с малым удельным весом, заполняющую оставшуюся часть емкостей, а также половину объема измерительных трубок, перепускной клапан, пьезоизлучатели, размещенные в основании каждой из измерительных трубок в плоскости основания трубок, измерительный блок, внутренняя полость корпуса выполнена в виде сферы, жидкость с большим удельным весом заполняет полость корпуса ровно наполовину, а диаметр капилляра измерительных трубок выбран из соотношения: где коэффициент поверхностного натяжения жидкости в измерительных трубках; r плотность жидкости в измерительных трубках; g ускорение свободного падения; q краевой угол смачивания между жидкостью в измерительных трубках и материалом стенок измерительных трубок.Кроме того, указанный технический результат достигается за счет того, что диаметр измерительных трубок на выходе капилляра в ближней зоне Xблпьезоизлучателей, определяемой как Xбл=r2 F/C, где: F и C - частота и скорость распространения ультразвуковой волны соответственно, равен диаметру пьезоизлучателя.На фиг. 1 изображена схема конструкции предлагаемого наклономера. На фиг. 2 показана модель для расчета диаметра измерительных трубок.На фиг. 3 показана зависимость предлагаемой величины диаметра измерительных трубок от величины краевого угла смачивания между жидкостью и стенками измерительных трубок как графическая иллюстрация предлагаемой формулы.Наклономер содержит корпус 1 в виде сферы, до половины заполненной жидкостью с большим удельным весом 2 и разделенной перегородкой 3 на две равные емкости 4,5 так, что жидкость 2 сообщается в нижней части корпуса, измерительные трубки 6, 7, гидравлически связанные соответственно с каждой из емкостей полости корпуса, жидкость с малым удельным весом 8, заполняющую оставшуюся часть емкостей 4, 5, а также половину объема измерительных трубок 6, 7, перепускной клапан 9, пьезоизлучатели 10, 11, размещенные в основании каждой из измерительных трубок в плоскости основания трубок, измерительный блок 12. Для предотвращения перетекания жидкости 8 между измерительными трубками они отделены друг от друга перегородкой 13 с малым отверстием в случае вакуума в свободном пространстве над жидкостью 8.Измерительные трубки 6, 7 выполнены с внутренним диаметром Дкап с таким расчетом, чтобы даже при горизонтальном расположении трубок /угол наклона 90o/ мениск 14 жидкости 8, служащий границей отражения ультразвука, сохранял свою форму и располагался ортогонально оси измерительных трубок, см. фиг. 2, здесь 1 измерительная трубка, 2 жидкость, 3 мениск.В ближней зоне Хбл измерительная трубка выполнена с диаметром D, равным диаметру пьезоизлучателя.Наклономер работает следующим образом.При наклонах корпуса 1, к примеру, вправо, жидкость 2 занимает новое относительно корпуса положение, что приводит к вытеснению более легкой жидкости 8 в измерительную трубку 7 с приращением столба, равным отношению проходных сечений емкости 5 и трубки 7. Указанное приращение берется относительно приращения уровня жидкости 2. Точно такое же приращение, но с обратным знаком происходит в измерительной трубке 6. Измерение уровней жидкости в измерительных трубках осуществляется времяимпульсным методом посредством ультразвуковой локации с помощью пьезоизлучателей 10, 11 и измерительного блока 12, измеряющего временные промежутки прохождения ультразвука от пьезоизлучателей до границы раздела жидкость воздух и обратно. Измеренные временные интервалы пропорциональны углу наклона и могут обрабатываться как по прямой, так и по дифференциальной схеме.Устойчивость мениска определяется из следующих соотношений.Как известно из физики, силы поверхностного натяжения создают подповерхностное давление Pмн= 2/Rмн, где: коэффициент поверхностного натяжения жидкости; Rмн радиус мениска.Следовательно, основным условием устойчивости мениска в трубке будет его сферичность, которая достигается при значении краевого угла смачивания между жидкостью и стенками измерительной трубки q в пределах от 90 до 180o, а также соответствующим диаметром капилляра. Чем больше значение q, тем устойчивее мениск и тем меньше должен быть диаметр трубки, см. фиг. 2. Вогнутый мениск (при q в пределах от 0 до 90o) способствует рассеиванию ультразвуковой волны и поэтому не рассматривается.Из рассмотрения треугольника ABC на фиг. 2 следует, что при заданном краевом угле смачивания q внутренний диаметр измерительной трубки Dкап связан с радиусом мениска Rмн соотношением: Условием устойчивости мениска в наклонной трубке является превышение капиллярного давления Pкап над гидростатическим давлением, создаваемым столбом жидкости с высотой, равной диаметру трубки Dкап. Условие записывается как 2/Pмн > gDкапгде плотность жидкости в измерительных трубках;g ускорение свободного падения.После подстановки сюда выражения для Pмн, полученного ранее, получим условие устойчивости мениска в наклонной трубке:Так как сильное сужение капилляра затрудняет прохождение ультразвукового импульса, полученное соотношение принимается как самое оптимальное для капиллярно-жидкостных волноводов и при выборе диаметра трубки знак "меньше" заменяется на знак "=".На фиг. 3 показана графическая иллюстрация полученной зависимости для трех различных жидкостей: ртуть, глицерин, вода. Представленные зависимости охватывают все возможное разнообразие материалов измерительных трубок, не смачиваемых перечисленными жидкостями, и наглядно иллюстрируют рассчитанное условие устойчивости мениска в капиллярах.Устойчивость границы отражения ультразвуковой волны во всем диапазоне углов наклона наклономера позволяет получить стабильный отраженный сигнал во всем диапазоне измерения, что повышает точность измерения углов по сравнению с известными приборами.Т. к. в ближайшей зоне ультразвукового пучка Хбл., определяемой как Хбл= r2 F/C, где F и Счастота и скорость распространения ультразвуковой волны соответственно, акустическое поле ультразвуковой волны осциллирует вдоль осей Z, X, Y, диаметр измерительной трубки в ближайшей зоне равен диаметру пьезоэлемента. Такое решение позволяет получить максимальную амплитуду акустического поля в устье капилляра, а также на выходе из капилляра после отражения ультразвуковой волны от мениска, что также повышает точность измерений.Использование капиллярных эффектов позволяет существенно повысить точность и расширить диапазон измерения углов вплоть до 90o без существенного ослабления амплитуды отраженного сигнала во всем диапазоне. Выполнение корпуса в виде сферы и заполнение его тяжелой жидкостью ровно наполовину позволяет получить практически линейную зависимость приращения уровня жидкости в измерительных трубках в зависимости от угла наклона.Узкое сечение измерительных трубок позволяет достичь высокого коэффициента приращения (20 30 раз) уровня легкой жидкости при переходе из широкой части корпуса в узкую относительно приращения уровня тяжелой жидкости при незначительном диаметре корпуса наклономера. Такой коэффициент трансформации соответствует чувствительности наклономера порядка 2 3".Наклономер может также быть использован в режиме обычного гидростатического нивелира при открытом перепускном клапане 9. В этом случае уровень жидкости 8 служит гравитационно-чувствительной границей раздела, база измерения равна расстоянию между измерительными трубками, а тяжелая жидкость играет роль гравитационно-чувствительного балласта со своим собственным периодом успокоения, что ускоряет реакцию наклономера на угловое смещение.Используемыми жидкостями, к примеру, могут быть пары тетрабромэтан-вода, сплав вода-трансформаторное масло, ртуть-масло.Использование изобретения позволяет существенно повысить точность измерения угловых смещений в широком диапазоне углов, что особенно важно при инклинометрии технологических каналов ядерных реакторов и буровых скважин.Формула изобретенияУльтразвуковой наклономер, содержащий корпус, частично заполненный двумя жидкостями с разным удельным весом и разделенный перегородкой на две равные емкости так, что первая жидкость с большим удельным весом сообщается в нижней части корпуса, а вторая жидкость с меньшим удельным весом заполняет оставшуюся часть емкостей, а также половину объема измерительных трубок, связанных соответственно с каждой из емкостей полости корпуса, перепускной клапан, пьезоизлучатели, размещенные в основании каждой из измерительных трубок в плоскости основания трубок, измерительный блок, отличающийся тем, что в нем внутренняя полость корпуса выполнена в виде сферы, первая жидкость заполняет полость корпуса ровно наполовину, а диаметр капилляра измерительных трубок выбран из соотношениягде - коэффициент поверхностного натяжения второй жидкости;- плотность второй жидкости;g ускорение свободного падения;- краевой угол смачивания между второй жидкостью и стенками измерительных трубок.2. Наклономер по п. 1, отличающийся тем, что диаметр измерительных трубок на выходе капилляра в ближней зоне Хблпьезоизлучателей, определяемой какХбл=r2 F/C,где F и C частота и скорость распространения ультразвуковой волны во второй жидкости;r радиус пьезоизлучателя,равен диаметру пьезоизлучателя.А.4Решение4Устройство для определения угла наклонаАвторы патента:Чернявский Юрий Михайлович (RU)Старцев Анатолий Сергеевич (RU)Феофанов Лев Николаевич (RU)Осоловский Семен Петрович (RU)Устройство для определения угла наклона (RU 1840406):G01C9/18 - с помощью жидкости Устройство для определения угла наклона по авт. св. №792074 состоит в том, что к поплавку ниже двухстепенного подвеса жестко прикреплен балансир, ось симметрии которого совпадает с осью симметрии поплавка. Масса и объем балансира выбраны таким образом, что вертикальная составляющая равнодействующей силы на двухстепенном подвесе равняется нулю. Технический результат - повышение устойчивости устройства к вертикальным перегрузкам, повышение его пороговой чувствительности и расширение частотного диапазона. 3 ил.Предлагаемое изобретение относится к области приборостроения, а именно, к приборам для измерения углов наклона сооружений или грунта при воздействии возмущений, вызываемых взрывом или землетрясением.Изобретение является усовершенствованием известного устройства для определения угла наклона по авт. св. №792074 от 1.9.80 г кл. G 01 C 9/18, которое в настоящее время используется для измерения угла наклона сооружений или грунта в условиях воздействия сейсмовзрывных волн от мощных взрывов.Это устройство имеет герметичный корпус, внутренняя полость которого заполнена жидкостью, поплавок, полностью погруженный в жидкость, подвеску поплавка и систему для дистанционного съема информации. Поплавок выполнен в виде пустотелого конуса, вершина которого связана с основанием корпуса при помощи двухстепенного шарнира, а в верхней части укреплена крестовина, стержни которой выполнены из ферромагнитного материала и входят в осевые отверстия катушек индуктивного преобразователя, расположенных в корпусе. Для соответствия объемных весов измерительного прибора и грунта, в котором он установлен, поплавок выполнен пустотелым по всей длине из прочного устойчивого к намоканию материала.Устройство обеспечивает съем информации об углах и направлении наклона до ±40' в частотном диапазоне от 0,5 до 1,2 Гц, устойчиво к вертикальным перегрузкам до 20 g, с пороговой чувствительностью 1'.Основным недостатком устройства, выполненного на этом принципе, является его недостаточная устойчивость к большим вертикальным перегрузкам. При ядерных или крупномасштабных взрывах ВВ, моделирующих параметры ядерного взрыва в ближней зоне, где Рф˜200 кгс/см2, вертикальные перегрузки достигают величины 150-200 g. При использовании этого устройства для съема информации в ближней зоне двухстепенной подвес разрушается, и устройство выходит из строя. Если применить в двухстепенном подвесе подшипники большего размера, то устройство будет выдерживать вертикальные перегрузки до 40 g, но пороговая чувствительность его при этом снизится до 2'.Целью предлагаемого дополнительного изобретения является повышение устойчивости устройства к вертикальным перегрузкам, а также повышение его пороговой чувствительности и расширение частотного диапазона.Поставленная цель достигается тем, что в конструкции устройства используется балансир, который жестко крепится к нижней части поплавка ниже двухстепенного подвеса таким образом, чтобы его ось симметрии совпадала с осью симметрии поплавка. Масса и объем балансира выбираются таким образом, чтобы при воздействии на устройство вертикальных перегрузок равнодействующая сила, действующая на двухстепенной подвес, равнялась нулю:m1a-V 1a+m2a-V2a=0илиm1-V1+m2-V2=0,гдеm1 - масса поплавка;V1 - объем поплавка;m2 - масса балансира;V2 - объем балансира;- удельный вес жидкости;a - воздействующее ускорение.Следовательно, двухстепенной подвес оказывается полностью разгруженным при любой вертикальной перегрузке и его разрушение исключено. Кроме того, появляется возможность в этом узле применять подшипники меньшего размера, обеспечивающие минимальное трение. При наклоне объекта к моменту поплавка, стремящегося сохранить вертикальное положение, присоединяется восстанавливающий момент жестко скрепленного на одной оси с ним балансира, который также стремится занимать вертикальное положение. В результате такого сложения восстанавливающих моментов пороговая чувствительность устройства повышается и появляется возможность отслеживать более высокочастотные релаксационные наклоны грунтового массива и сооружений.Предлагаемое устройство изображено на фиг.1, на фиг.3 - разрез по осям качания поплавка, на фиг.2 - разрез узла преобразователя перемещения в электрический сигнал.Устройство имеет корпус 1, поплавок 2, балансир 3, двухстепенной подвес 4, катушки индуктивности 5. С поплавком связана крестовина 6, с которой соединены ферромагнитные стержни 7 индуктивного преобразователя. Верхняя часть корпуса заканчивается прозрачной сферической формы пробкой 8, под которой находится пузырек 9, с помощью которого обеспечивается юстировка поплавка при установке устройства на сооружении. Верхняя часть корпуса закрыта крышкой 10, которая крепится болтами 11.Выводы от катушек индуктивности выполнены через герметичный разъем 12 и соединены кабелем 13 с регистрирующей аппаратурой. Внутри корпуса залита жидкость 14, в качестве которой используется полиметилсилоксановая жидкость (ПМС). Эта жидкость выполняет несколько функций:а) служит для создания подъемной силы, которая действует на поплавок;б) демпфирует колебания системы поплавок-балансир;в) обладает смазывающим эффектом, что уменьшает трение в подвижных элементах двухстепенного подвеса.Поплавок 2 выполнен конусным и соединен с корпусом через двухстепенной подвес 4, который позволяет поплавку наклоняться по двум взаимноперпендикулярным направлениям относительно вертикальной оси.Масса и объем балансира 3 выбираются таким образом, чтобы сумма сил, действующих на двухстепенной подвес со стороны поплавка и балансира, при любой вертикальной нагрузке равнялась нулю.Стержни 7 входят в осевые отверстия закрепленных на корпусе катушек индуктивности 5 и являются подвижными элементами индуктивного преобразователя.Для измерения наклонов в глубине грунтового массива устройство опускают в приборную скважину по жесткой штанге.После опускания устройство заливают в скважине грунтоцементным раствором, у которого свойства после отвердевания близки с окружающим грунтом. Устройство можно также основанием закрепить на сооружении.При наклоне грунтового массива или сооружения, что имеет место при взрыве или землетрясении, корпус устройства также наклоняется, на тот же угол относительно корпуса в плоскости наклона отклонится система поплавок-балансир. Сердечники, закрепленные в верхней части поплавка, изменяют свое положение относительно своих катушек индуктивности, а электрический сигнал, полученный на выходе катушек, соединенных попарно по дифференциальной схеме, будет пропорционален перемещению сердечника, а следовательно, и углу наклона.В организации-заявителе разработаны чертежи предлагаемого устройства, изготовлены 3 экспериментальных образца и проведены лабораторные испытания, которые подтвердили его работоспособность и получение положительного эффекта:- устойчивость к вертикальным перегрузкам до 200 g;- повышение пороговой чувствительности до 10'';- расширение частотного диапазона измерений, предлагаемое устройство позволяет измерять углы наклона при релаксационном движении грунта с частотой от 0,2 до 2,5 Гц.Предлагаемое техническое решение обладает простотой и эффективностью и позволяет на своей основе создать целую серию устройств для изменения углов наклона массивов грунта и сооружений в ближней зоне ядерного взрыва.Формула изобретенияУстройство для определения угла наклона по авт. св. №792074, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений путем повышения устойчивости к вертикальным перегрузкам, нижняя часть корпуса выполнена разъемной, а поплавок дополнительно снабжен стержнем, на котором жестко установлен противовес.ПриложениеБОперационный усилитель AD623ПриложениеВМикроконтроллер ATMega32L8-битные AVR микроконтроллеры с 32К Байт внутрисистемно программируемой FLASH памяти.Характеристики: Высокопроизводительные, мало потребляющие AVR 8- битные микроконтроллеры Развитая RISC архитектура:    - 131 исполняемых команд, большинство за один машинный такт    - 32 рабочих регистра общего назначения    - полностью статический режим работы    - производительность до 16 MIPS при 16 МГц    - встроенный 2-х тактовый умножитель Энергонезависимая память программ и данных    - 32К байт внутрисистемносамопрограммируемой FLASH памяти с количеством циклов перепрограммирования до10 000.    - Опционно загрузочная область памяти с независимыми ключевыми битами, внутрисистемное программирование встроенной загрузочной программой, правильное чтение в процессе записи.    - 1024 байт EEPROM с допустимым количеством циклов стирания записи до 100 000.    - 2К байт внутренней SRAM    - программируемый ключ защиты программ JTAG (IEEE1149.1 совместимый) интерфейс    - Сканирование памяти в соответствии с JTAG стандартом    - Встроенная поддержка отладчика    - Программирование FLASH, EEPROM, охранных и ключевых бит через JTAG интерфейс Периферийные функции    - два 8-битных таймера/счётчика с программируемым предделителем и режимом сравнения    - один 16-битный таймер/счётчик с программируемым предделителем, режимом сравнения и захвата    - счётчик реального времени с программируемым генератором    - четыре ШИМ генератора    - 8-и канальный, 10-и битный АЦП    - байт- ориентированный, двухпроводный интерфейс    - программируемый USART    - Master/Slave SPI последовательный интерфейс    - ПрограммируемыиWatchdog таймер с программируемым генератором    - Встроенный аналоговый компаратор Специальные функции    - Reset по включению питания и выключение при снижении напряжения питания    - Внутренний калиброванный RC генератор    - Внешние и внутренние источники прерывания    - Шесть экономичных режимов: Idle, подавления шумов АЦП, экономичный, режим Выкл. , режим ожидания и режим расширенного ожидания. 32 программируемых вывода вход-выход и 1 вход 40 выводной корпус PDIP, 44 выводной корпус TQFP, и 44 контактный MLF Напряжение питания:    - 2.7 В до 5.5 В для ATmega32L    - 4.5 В до 5.5 В для Atmega32 Тактовая частота:    0-8 МГц Atmega32L    - 0-16 МГц Atmega32 Блок- схема: Расположение выводов: Описание: Atmega32/L является КМОП 8- битным микроконтроллером построенным на расширенной AVR RISC архитектуре. Используя команды исполняемые за один машинный такт, контроллер достигает производительности в 1 MIPS на рабочей частоте 1 МГц, что позволяет разработчику эффективно оптимизировать потребление энергии за счёт выбора оптимальной производительности. AVR ядро сочетает расширенный набор команд с 32 рабочими регистрами общего назначения. Все 32 регистра соединены с АЛУ, что обеспечивает доступ к двум независимым регистрам на время исполнения команды за один машинный такт. Благодаря выбранной архитектуре достигнута наивысшая скорость кода и соответственно высокая производительность в 10 раз превосходящая скорость соответствующего CISC микроконтроллера. ATmega32/L содержит 32Кбайт внутрисистеммно программируемой FLASH памяти программ, допускающей чтение во время записи, 1024 байт EEPROM, 2К байт SRAM , 32 рабочих регистра, JTAG интерфейс сканирования внутренних регистров, встроенную систему отладки и программирования, три гибких таймера- счётчика с модулем сравнения, внутренние и внешние прерывания, последовательный программируемый интерфейс USART, байт-ориентированный двухпроводный последовательный интерфейс, 8-и канальный, 10-и битный АЦП с дифференциальным программируемым усилителем ( только для TQFP ), программируемый Watchdog таймер с внутренним генератором, порт SPI и шестью режимами сбережения энергии. В режиме Idle ЦПУ не функционирует в то время как функционируют USART, двухпроводный интерфейс, АЦП, SRAM, таймеры- счётчики, SPI порт и система прерываний. В Atmega32 существует специальный режим подавления шума АЦП, при этом в целом в спящем режиме функционирует только АЦП и асинхронный таймер для уменьшения цифровых шумов преобразования. В режиме Выкл. процессор сохраняет содержимое всех регистров, замораживает генератор тактовых сигналов, приостанавливает все другие функции кристалла до прихода внешнего прерывания или поступления внешней команды Reset. В режиме ожидания работает один тактовый генератор, при остановке остальных функцийй контроллера. Благодаря быстрому переходу в нормальный режим работы в том числе и по внешнему прерыванию Atmega32 успешно приспосабливается к внешним условиям работы и требует меньше энергии, чащще оказываясь в режиме Выкл. В расширенном режиме ожидания в рабочем состоянии находятся основной генератор и асинхронный генератор. Микросхемы выпускаются при использовании Atmel технологии энергонезависимой памяти высокой плотности. Встроенная ISP FLASH память позволяет перепрограммировать область программной памяти внутрисистеммно через последовательный SPI интерфейс стандартным программатором, или используя загрузочную программу из энергонезависимой памяти работающую в AVR ядре. Комбинация расширенной 8- и битной RISC архитектуры ЦПУ и твёрдотельной FLASH памяти обеспечивают Atmega32 высокую гибкость и экономическую эффективность во встраиваемых системах управления. ПриложениеГИсточник питания RS-15ПриложениеЕСтабилизатор напряжения KF50Приложение ЖРегулятор напряжения NCP699Приложение ЗПреобразователь XTR116Приложение ИМодуль гальванической развязки