Датчик угла наклона

 

Изобретение относится к приборостроению . С целью повышения функциональных возможностей устройство содержит трубку 1 в виде конуса с установленным в ней шариком 2 и измерителем его положения 5. Источник сжатого воздуха 4 через стабилизатор расхода 3 соединен с узким концом трубки и через редуктор давления 11, дроссель 12 - с интегратором 7 и измерителем положения шарика 5, выполненным в виде треугольного выреза в трубке 1. Выход интегратора 7 соединен с управляющим входом стабилизатора расхода сжатого воздуха 3 и через блок линеаризации 9 - с входом регистратора 10. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з .G 01 С 9/10

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ CCCP}

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4445601/10 (22) 22.06.88 (46) 23.04.93. Бюл. М 15 (71) Институт проблем механики АН СССР (SU) и Центральный институт ядерных исследований АН ГДР (00) (72) А.P.Àáàðèíoâ, В.Б.Вешников, В.Г.Градецкий, М.Ю.Рачков (SU), Б.Хофманн и

А.Шварц (DD) (56) Авторское свидетельство СССР

N» 584181, кл. G 01 С 9/10, 1.5.12.75.

Авторское свидетельство СССР

N. 1318788, кл. G 01 С 9/10, 1985. (54) ДАТЧИК УГЛА НАКЛОНА

„„5U„„1810754 А1 (57) Изобретение относится к приборостроению. С целью повышения функциональных возможностей устройство содержит трубку

1 в виде конуса с установленным в ней шариком 2 и измерителем его положения 5.

Источник сжатого воздуха 4 через стабилизатор расхода 3 соединен с узким концом трубки и через редуктор давления 11, дроссель 12 — с интегратором 7 и измерителем положения шарика 5, выполненным в виде треугольного выреза в трубке 1. Выход интегратора 7 соединен с управляющим входом стабилизатора расхода сжатого воздуха

3 и через блок линеаризации 9 — с входом регистратора 10. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1810754

И:обретение относится к приборостроению и может быть использовано в измерительных блоках робототехнических комплексов.

Цель изобретения — повышение точности и расширение функциональных возможностей, за счет умножения габаритов.

На фиг. 1 изображен предлагаемый датчик; на фиг. 2-сечение А-А на фиг. 1; на фиг.

3 — блок линеаризации; на фиг. 4 — блок нелинейных функций.

Датчик содержит профилированную коническую трубку 1 с размещенным в ней шариком 2. Первый конец трубки 1 соединен со стабилизатором 3 расхода сжатого воздуха, вход которого соединен с источником 4 сжатого воздуха. Второй конец трубки

1 соединен с атмосферой, при этом оба конца трубки 1 снабжены ограничителями, предназначенными для исключения выпадения шарика 2 из трубки 1. Для определения положения шарика 2 используется датчик положения 5, выходной канал 6 которого соединен через интегратор 7 с управляющим входом 8 стабилизатора 3, а также через блок линеаризации 9 с регистратором 10.

Датчик положения 5 выполнен в виде последовательно соединенных с источником 4 сжатого воздуха через редуктор давления 11 дросселя 12 и сопла 13 с треугольным профилем отверстия (см, фи", 2). обьем 14 между которыми связан с выходным каналом 6, что позволяет использоBaTb общий со стабилизатором 3 источник питания и обеспечить дополнительную стабилизацию шарика 2 струей, обтекающей шарик в перпендикулярном его движению направлении, Блок линеаризации 9 выполнен в виде первого квадратора 15, вход которого связан с выходным каналом интегратора 7, а выход — с первым входом 16 первого блока умножения 17, выход которого соединен со входом блока 18 нелинейных функций. Выход блока 18 соединен через первый вход 19 второго блока умножения 20 с регистратором 10. Вторые входы 21 и 22 блоков 17 и 20 соединены соответственно с выходами первого и второго задатчиков 23 и 24, задающих постоянные коэффициенты, Блок 18 нелинейных функций выполнен в виде второго квадратора 25, вход которого связан с выходом первого блока умножения

17, а выход — с входами 26 и 27 третьего 28 и четвертого 29 блока умножения. Первый вход 30 четвертого блока умножения 28 также связан с выходом первого блока умножения 17, а второй вход 31 четвертого блока умножения 29 - с выходом третьего блока

55 умножения 28, который также соединен со вторым входом 32 пятого блока умножения

33. Первый вход 34 пятого блока умножения

33 соединен с третьим задатчиком 35 коэффициента 1/6, а выход — с первым входом 36 сумматора 37, второй вход 38 сумматора 37 соединен с выходом первого блока умножения 17, а третий вход 39 — с выходом шестого блока умножения 40, Первый вход 41 шестого блока умножения 40 соединен с выходом четвертого блока умножения 29, а второй вход 42 — с четвертым задатчиком 43 коэффициента 3/40. Выход сумматора 37 соединен с первым входом 19 второго блока умножения 20.

Датчик работает следующим образом, При установке трубки 1 на поверхность

44, угол наклона а которой необходимо измерить, включают питание сжатым воздухом через стабилизатор 3, Шарик 2 занимает при этом некоторое положение в трубке 1, которое определяется датчиком положения 5. При этом, если шарик 2 расположен ниже (выше) некоторого нулевого положения, за счет отработки сигналов в .линии обратной связи увеличивается (уменьшается) величина управляющего сигнала Y на управляющем входе 8 стабилизатора 3, в результате чего увеличивается (уменьшается) расход сжатого воздуха через трубку 1 до такой величины, пока шарик

2 не займет требуемое нулевое положение.

Под нулевым положением шарика в трубке понимается такое положение шарика, при котором датчик положения 5 имеет условно принимаемый за нуль уровень сигнала. Данное положение шарик занимает всегда в конце переходного процесса при измерении угла наклона а (т.е. соответствующего углу а расхода G), Этот процесс осуществляется путем обработки информации от датчика 5 при помощи интегратора 7. Так, например, если шарик 2 располагается ниже нулевого положения, то сигнал от датчика 5 имеет положительный знак (то есть значение большее. чем при положении шарика 2 в нулевом положении), и в результате интегрирования этого сигнала блоком 7 происходит увеличение управляющего сигнала У, т.е. увеличение расхода через трубку 1. При расположении шэрика 2 выше нулевого поло>кения сигнал Y уменьшается, что приводит к уменьшению расхода. В случае расположения шарика 2 в нулевом положении Y = const (как интеграл от нуля), что соответствует постоянной величине массового расхода 6 через трубку 1, 1810754

Таким образом, по величине этого расхода (и, соответственно, установившемуся значению величины Y) можно судить о значении угла наклонай . Однако для удобства использования угломера величина Y преобразуется блоком линеаризации 9 в величину

Ул, которая линейно зависит от а, Y>--K а, где К с — коэффициент линейности. Величина Уп выводится на регистратор 10. 1

Блок линеаризации 9 составлен из стандартных блоков систем промышленной электро- или пневмоавтоматики. Поступивший с выхода интегратора 7 сигнал Y возводится в квадрат (умножением самого 1 значения Y на себя) блоком 15 и после домножения результата (Y ) на коэффициент г

Кп Ку от задатчика 23 блоком умножения 17 поступает на вход блока нелинейных функций 18. Блок нелинейных функций 18 реали- 2 зует функцию Z = arcsinZ. После

I умножения блоком умножения 20 результата выполнения этой операции на значение

Ка задаваемое задатчиком 24, получается значение Y>=К, агсз!п(Ка Ку Y ), которое 2 г поступает на вход регистратора 10.

Поскольку, блок нелинейных функций имеет на порядок большую величину погрешности, чем блоки умножения, суммирования и задатчики коэффициентов, для 3 повышения точности линейной характеристики при измерении малых углов используется в качестве блока нелинейных функций, схема, приведенная на фиг. 4, составленная из квадратора 25, блоков умножения 28, 29, 3

33, 40, задатчиков 35 и 43 и сумматора 37.

Для построения данной схемы использовано известное из литературы разложение функции агсз!п2 в ряд.

В этом случае блок нелинейных функций реализует функцию Z = Z + 1/6 Z +

+3/40 Z и работает следующим образом: сигнал Z с выхода блока умножения 17 по. ступает на в квадратор 25 и блокумножения

28, с выхода которого сигнал Z поступает на.вход 32 блока умножения 33 и на вход 31 блока умножения 29, на другой вход 27 которого поступает сигнал Z с выхода блока г

25. После перемножения блоком 33 величины Z на величину 1/6 от задатчика 35 и з блоком 40 величины Z на величину 3/40 от задатчика43сигналы1/6Z и3/40Z поступают яа соответствующие входы 36 и 39 сумматора 37, еще один вход 38 которого соединен с выходом блока умножения 17.

После суммирования сумматором 37 этих значений на его выходе получается требуемое значение Z = =Z + 1/6 2 + 3/40 Z, которое поступает на вход 19 блока умножения

20 и преобразуется далее, В качестве датчика положения 5 шарика 2 в конструкции угломера может исполь5 зоваться пневматический датчик, который не требует дополнительных, кроме имеющегося источника 4, источников питания. Так как шарик 2 занимает разное положение в трубке 1, то и величина перекрытия им тре0 угольного отверстия сопла 13 будет различной, за счет чего и величина давления в полости 14, связанной со входом 6 интегратора 7, будет различной (большей при нахождении шарика 2 ниже этого нулевого

5 положения). При такой реализации датчика

5 интегратор 7, а также блок линеаризации

9 могут быть выполнены, например, на базе устройств промышленной пневмоавтоматики, что позволяет отказаться от дорогостоя0 щих элементов электроавтоматики. Кроме того, это позволит располагать все блоки угломера в зонах с повышенным уровнем радиации, а также пожаро- и взрывоопасных зонах. где использование элементов

5 электроавтоматики невозможно.

Формула изобретения

1. Датчик угла наклона. содержащий трубку с установленным в ней с возможностью перемещения шариком, источник и

0 стабилизатор расхода сжатого воздуха, соединенный трубопроводом с первым концом трубки, второй конец которой соединен с атмосферой, и измеритель положения шарика, отличающийся тем,что,сцелью

5 повышения точности и.расширения функци-. ональных возможностей, он снабжен редуктором, дросселем, интегратором, блоком линеаризации и регистратором, трубка выполнена конической, измеритель положения шарика — в виде треугольного выреза в трубке, выход источника сжатого воздуха по трубопроводу через редуктор и дроссель соединен с треугольным вырезом трубки и входом интегратора, выход которого соединен с управляющим входом стабилизатора и через блок линеаризации с входом регистратора.

2. Датчик по и. 1, отл и ч а ю шийся тем, что блок линеаризации выполнен в виде последовательно соединенных первого квадратора, первого блока умножения, блока нелинейных функций и второго блока умножения, а также первого и второго эадатчиков, выходы которых соединены с вторыми входами соответственно первого и второго блоков умножения.

3.Датчик попп. 1 и 2, отл ича ю щи йс я тем, что блок нелинейных функций выполнен в виде последовательно соединенных второго квадратора, третьего и пятого бло1810754 ков умножения и сумматора, а также третьего и четвертого задатчиков, четвертого и шестого блоков умножения, причем выход первого блока умножения соединен с входом второго квадратора, первым входом 5 третьего блока умножения и вторым входом сумматора, выход второго квадраторэ соединен с первым входом четвертого блока умножения, выход третьего блока умножения через второй вход четвертого блока умножения — с первым входом шестого блока умножения, выход четвертого задатчика через второй вход шестого блока умножения соединен с третьим входом сумматора, а выход третьего задатчика- с вторым входом пятого блока умножения.

1810754

Составитель В.Лыков

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Л.Филь

Редактор

Заказ 1439 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. 101