Устройство для измерения величины и направления угла наклона объекта

 

Использование: изобретение относится к горной автоматике, а более конкретно к средствам автоматического контроля угла наклона добычных и проходческих комбайнов, и может быть использовано при автоматизации добычи или проходки в угольных, железорудных, соляных и других шахтах при подземной добыче или проходке, а также для измерения углов наклона роторных экскаваторов, перегружателей, забойных и подземных конвейеров и других горных машин. Сущность изобретения: устройство для измерения величины и направления угла наклона объекта содержит корпус с телом вращения, ось которого перпендикулярна основанию корпуса, однокоординатный наклономер, установленный на теле вращения, указатель угла поворота тела вращения выполнен в виде инерционного элемента, подвешенного на двух горизонтальных эластичных упругих шнурах, жилы которых выполнены в виде нитей из электропроводной резины, указатель угла поворота тела вращения. Кроме того, устройство снабжено двумя стабилизаторами тока, двумя вольтметрами постоянного напряжения, двумя вольтметрами переменного напряжения, измерителем разности напряжения, задатчиком веса инерционного элемента и коэффициента жесткости шнуров, блоком вычисления угла наклона и трехканальным блоком индикации и регистрации, при этом концы каждой нити упругих шнуров соединены с выходами стабилизатора тока и входами вольтметров постоянного и переменного напряжения, выходы вольтметров постоянного напряжения соединены с первым и вторым входами блока вычисления угла наклона, третий вход которого соединен с выходом задатчика, а выход соединен с первым входом трехканального блока индикации и регистрации, выходы вольтметров переменного напряжения соединены с входами измерителя разности, выход которого соединен с вторым входом трехканального блока индикации и регистрации, третий вход которого соединен с выходом второго вольтметра переменного напряжения. 4 ил.

Изобретение относится к горной автоматике, а более конкретно к средствам автоматического контроля угла наклона добычных и проходческих комбайнов, и может быть использовано при автоматизации процессов добычи или проходки в угольных, железорудных, соляных и других шахтах при подземной добыче или проходке, а также для измерения углов наклона роторных экскаваторов, перегружателей, забойных и подземных конвейеров и других горных машин.

Известно устройство для определения угла наклона объекта, содержащее корпус, подвешенные в нем соосно и независимо измерительный и дополнительный маятники, на каждом из которых установлены по два постоянных магнита с рабочими плоскостями, и преобразователь, которое для повышения точности снабжено юстировочными узлами, закрепленными на измерительном и дополнительном маятниках и жестко связанными с соответствующими магнитами. Каждый из юстировочных узлов на измерительном маятнике выполнен в виде резьбовой головки, ось которой перпендикулярна рабочей плоскости магнита. Каждый из юстировочных узлов на дополнительном маятнике выполнен в виде стержня с полусферическими головками на каждом из его концов, контактирующими с конусными элементами, жестко связанными с маятником, причем одна из головок в каждом из узлов жестко скреплена с магнитом [1] Недостатками известного устройства являются низкая точность измерения угла наклона и невозможность измерения величины и направления угла наклона одновременно.

Известно устройство для измерения величины и направления угла наклона объекта, содержащее корпус с установленным в нем телом вращения, центр тяжести которого смещен относительно его геометрического центра, и однокоординатный наклономер, установленный на теле вращения, а также указатель угла поворота, в котором для повышения точности и упрощения тело вращения установлено в корпусе с возможностью вращения вокруг оси, перпендикулярной основанию корпуса, а однокоординатный наклономер ориентирован рабочей координатой в напpавлении эксцентриситета тела вращения [2] Недостатками известного устройства являются невозможность измерения вибраций объекта, низкая точность измерения угла наклона из-за малой чувствительности и сложная конструкция из-за наличия сложных и ненадежных движущихся механизмов.

Технический результат достигается тем, что устройство для измерения величины и направления угла наклона объекта, содержащее корпус с установленным в нем телом вращения с возможностью вращения вокруг оси, перпендикулярной основанию корпуса, однокоординатный наклономер, установленный на теле вращения, и указатель угла поворота тела вращения, при этом однокоординатный наклономер выполнен в виде инерционного элемента, подвешенного на двух эластичных упругих шнурах, жилы которых выполнены в виде петель нитей из электропроводной резины, снабжено двумя стабилизаторами тока, двумя вольтметрами постоянного напряжения, двумя вольтметрами переменного напряжения, измерителем разности напряжений, задатчиком веса инерционного элемента и коэффициента жесткости шнуров, блоком вычисления угла наклона и трехканальным блоком индикации и регистрации, при этом концы каждой нити упругих шнуров соединены с выходами стабилизатора тока и входами вольтметров постоянного и переменного напряжения, выходы вольтметров постоянного напряжения соединены с первым и вторым входами блока вычисления угла наклона, третий вход которого соединен с выходом задатчика, а выход соединен с первым входом трехканального блока индикации и регистрации, выходы вольтметров переменного напряжения соединены с входами измерителя разности, выход которого соединен с вторым входом трехканального блока индикации и регистрации, третий вход которого соединен с выходом второго вольтметра переменного напряжения.

Сущность изобретения состоит в преодолении технического противоречия, заключающегося в следующем. При обычном инженерном проектировании, в отличие от изобретательства, для расширения функциональных возможностей устройство снабжают дополнительным датчиком для измерения дополнительного параметра, но при этом усложнятся устройство и падает надежность его работы по внезапным отказам. С другой стороны, при обычном инженерном проектировании для повышения точности измерений прибегают к измерению влияющего параметра дополнительным датчиком и вводят корректирующий сигнал, вводят дополнительные блоки фильтрации и стабилизации, используют резонансные эффекты и явления и так далее, но при всех этих повышениях точности усложняется устройство и падает надежность его работы по внезапным отказам. Оба этих технических противоречия в предлагаемом устройстве преодолены одновременно расширены функциональные возможности за счет обеспечения измерений вибраций и повышена точность измерений угла наклона и амплитуды вибраций при одновременном упрощении устройства за счет исключения движущихся механизмов и повышении надежности его работы по внезапным отказам. Для преодоления этих технических противоречий необходимы и достаточны следующие отличительные признаки устройства: два стабилизатора тока; два вольтметра постоянного напряжения; два вольтметра переменного напряжения; измеритель разности; задатчик; блок вычисления угла наклона; трехканальный блок индикации и регистрации; однокоординатный наклономер выполнен в виде инерционного элемента, подвешенного на двух горизонтальных эластичных упругих шнурах, жилы которых выполнены в виде петель нитей из электропроводной резины; концы каждой нити соединены с входами вольтметров переменного и постоянного напряжения; концы каждой нити соединены с выходами стабилизаторов тока; выходы вольтметров постоянного напряжения соединены с первым и вторым входами блока вычисления угла наклона; выход задатчика соединен с третьим входом блока вычисления угла наклона; выход блока вычисления угла наклона соединен с первым входом трехканального блока индикации и регистрации; выходы вольтметров переменного напряжения соединены с входами измерителя разности напряжений; выход измерителя разности напряжений соединен с вторым входом трехканального блока индикации и регистрации; третий вход трехканального блока индикации и регистрации соединен с выходом второго вольтметра переменного напряжения.

На фиг. 1 показано устройство, вид сверху; на фиг.2 то же, вид сбоку и функциональная схема устройства; на фиг.3 диаграмма действующих на инерционный элемент сил и геометрия расчетов величины и направления угла наклона; на фиг.4 зависимости сигналов на выходах вольтметров переменного напряжения U₁ и U₂ и сигнала U₃ на выходе измерителя разности.

Устройство для измерений величины и направления угла наклона объекта содержит корпус 1 с установленным в нем телом 2 вращения с возможностью вращения вокруг оси, перпендикулярной основанию корпуса 1, однокоординатный наклономер, установленный на теле 2 вращения, и указатель 3 угла поворота тела вращения.

Устройство снабжено двумя стабилизаторами 4 и 5 тока, двумя вольтметрами 6 и 7 постоянного напряжения, двумя вольтметрами 8 и 9 переменного напряжения, измерителем 10 разности, задатчиком 11, блоком 12 вычисления угла наклона и трехканальным блоком 13 индикации и регистрации.

Однокоординатный наклономер выполнен в виде инерционного элемента 14, подвешенного на двух параллельных корпусу 1 эластичных упругих шнурах 15 и 16, жилы (нити) 17 и 18 которых выполнены в виде петель нитей из электропроводной резины. Концы 19 и 20, 21 и 22 каждой нити соединены с выходами стабилизаторов 4 и 5 тока и входами вольтметров 6-9 постоянного и переменного напряжения. Выходы вольтметров 8 и 9 переменного напряжения соединены с входами измерителя 10 разности. Выходы вольтметров 6 и 7 постоянного напряжения соединены с первым и вторым входами блока 12 вычислений угла наклона, третий вход которого соединен с выходом задатчика 11. Выход блока 12 вычисления угла наклона соединен с первым входом трехканального блока 13 индикации и регистрации. Выход измерителя 10 разности соединен с вторым входом трехканального блока 13 индикации и регистрации, третий вход которого соединен с выходом второго вольтметра 9 переменного напряжения.

Одни концы шнуров 15 и 16 без электрического контакта жил 17 и 18 прикреплены к инерционному элементу 14, например, через изоляционные прокладки 23 и 24, изолирующие торцы 25 и 26 нитей от элемента 14. Другие концы шнуров 15 и 16 закреплены на концах 27 и 28 С-образной рамы 29, а концы 19 и 20, 21 и 22 нитей без электрического контакта пропущены через концы 27 и 28 рамы 29. Жилы 17 и 18 шнуров 15 и 16 помещены в изоляционные оболочки 30 и 31 и изолированы друг от друга прокладками 32 и 33. Рама 29 жестко крепится на объекте (горной машине) 34.

Сущность измерения угла наклона горной машины поясняется приведенной на фиг. 3 диаграммой действующих на инерционный элемент 14 сил. Инерционный элемент 14 находится (в общем случае) в точке 0 при угле наклона горной машины к горизонту α. Инерционный элемент уравновешивается в любой момент времени суммой трех действующих на него сил: силы тяжести Р, направленной вертикально вниз и численно равной Р mg, где m масса; g ускорение силы земного тяготения; силы натяжения F₁ шнура 15, численно равной произведению удлинения шнура Δ l₁ на его жесткость К, т.е. F₁ K ^. Δ l₁; силы натяжения F₂ шнура 16, численно равной произведению удлинения шнура Δ l₂ на его жесткость К, т. е. F₂ K ^. Δ l₂. Инерционный элемент 14 находится в равновесии, когда результирующая сил F₁ и F₂ уравновешивает силу тяжести Р. Результирующая сил F₁ и F₂ легко находится по правилу параллелограмма ADBO, диагональю которого является результирующая сила F_c, причем F_c -P. Искомый угол наклона α определяют следующим образом. Из треугольника АОС согласно теореме косинусов запишем F²₁ AB²+ P²- AB·P cos ∠ C (1) Отсюда определим значение угла ∠ C γ cos ∠ C AB²+ P²-F2P·AB (2) Из треугольника MNL видим, что α= 90^о γ. Тогда с учетом (2) получим α 90°-arccos AB²+ P²-2FP·AB (3) Чтобы выразить АВ в единицах силы поступим следующим образом. Для треугольников ADE, AOE и АСЕ запишем теоремы косинусов F²₂ 4P²+AE²-4·P·AE cos ∠ AED (4)
F²₁ P²+AE²-2·P·AE cos ∠ AED (5)
AB²= P+AE²-3P·AE cos ∠ AED (6)
Решив систему уравнений (4) (6) относительно АВ, получим
АВ² 2F₂² + 2F₁² P². (7)
Подставив значение АВ из формулы (7) в формулу (3), получим
α 90°-arccosF²₂-FP (8)
Устройство для измерения величины и направления угла наклона горной машины работает следующим образом.

Тело 2 вращения устанавливается в корпусе 1 в том направлении, в котором измеряется угол наклона α. Указатель 3 показывает это направление.

От стабилизаторов 4 и 5 тока нити 17 и 18 соответственно подается постоянный по величине электрический ток. На концах 19-20 и 21-22 нитей возникает падение напряжения, пропорциональное сопротивлениям нитей. Шнуры 15 и 16 и нити 17 и 18 при любых изменениях наклона α от -90^о до +90^о работают в пределах упругих деформаций, когда объемы нитей и шнуров остаются постоянными и когда инерционный элемент 14 при любых значениях угла наклона еще не касается концов 27 или 28 или основания С-образной рамы 29. Так как нити работают в пределах упругих деформаций, то при увеличении длины нити в общем случае в n раз от l до nl ее поперечное сечение одновременно уменьшается также в n раз от S до S/n так, чтобы объем нити оставался постоянным V l ˙ S const. Известно, что сопротивление любого проводника, каковыми являются и нити 17 и 18 прямо пропорционально длине и обратно пропорционально поперечному сечению S, а также прямо пропорционально удельному сопротивлению проводника ρ и численно равно
R ρ l/S (9)
Из формулы (9) видно, что при одновременном увеличении длины нити в n раз и уменьшении поперечного сечения нити также в n раз ее сопротивление увеличивается в n² раз. Поэтому на концах 19-20 и 21-22 нитей формируется постоянное напряжение, прямо пропорциональное сопротивлению нити, а следовательно, и прямо пропорциональное квадрату удлинения нити или квадрату соответствующей силы, растягивающей нить. Постоянные напряжения, формируемые на концах 19-20и 21-22 нитей 17 и 18, измеряются вольтметрами 6 и 7 постоянного напряжения, и на их выходах формируются сигналы, пропорциональные квадратам сил F₁² и F₂². Эти сигналы с выходов вольтметров 6 и 7 поступают на входы блока 12 вычисления угла наклона α. На третий вход блока 12 из задатчика 11 поступают сигналы, численно равные весу Р инерционного элемента 14 и коэффициенту жесткости К шнуров 15 и 16. Блок 12 по алгоритму (8) определяет значение угла наклона горной машины, соответствующее зарегистрированному в указателе 3 направлению. Это значение угла наклона горной машины индицируется и регистрируется блоком 13.

Измерение вибраций горной машины осуществляется следующим образом.

Если горная машина имеет горизонтальное положение, а вибрации корпуса горной машины 34 происходят в вертикальной плоскости, то из-за вертикальных вибраций корпуса горной машины 34 происходят одновременные гармоничные удлинения и укорочения шнуров 15 и 16 и нитей 17 и 18. В результате на концах 19-20 и 21-22 нитей 17 и 18 возникает переменное напряжение, пропорциональное квадрату амплитуд удлинения нитей 17 и 18. Переменное напряжение на концах нитей является синфазным из-за одновременных удлинений или укорочений обоих упругих шнуров 15 и 16. Это переменное напряжение, пропорциональное амплитуде вибраций корпуса горной машины 34 и равное по частоте вибраций машины, измеряется вольтметрами 8 и 9 переменного напряжения. Сигналы с выходов вольтметров 8 и 9 поступают на входы измерителя 10 разности. В рассматриваемом случае на выходе измерителя разности формируется нулевой сигнал, что свидетельствует об отсутствии вибраций вообще или о наличии вибраций в вертикальном направлении при горизонтальном положении горной машины, когда α= 0^о. Чтобы различать эти случаи с выхода вольтметра 9 переменного напряжения сигнал подается на блок индикации и регистрации, который регистрирует измеренные вольтметром 9 вертикальные вибрации горной машины.

Если же горная машина находится под углом к горизонту α ≠ 0^о, т.е. когда имеет место показанный на фиг.2 случай, то удлинения и укорочения шнуров 15 и 16 неодинаковы по абсолютной величине. Если инерционный элемент 14 находится ближе к концу рамы 29, то абсолютные значения удлинений и укорочений шнура 15 меньше, нежели соответствующие удлинения и укорочения шнура 16. Поэтому переменное напряжение на входе вольтметра 9 больше по абсолютной величине, чем переменное напряжение на входе вольтметра 8. В результате на выходе измерителя 10 разности формируется сигнал, пропорциональный амплитуде вибраций и имеющий знак, пропорциональный (соответствующий) знаку угла наклона горной машины: знак положителен в показанном на фиг.2 случае и отрицателен при наклоне горной машины, когда конец 27 рамы 29 выше конца 28, т.е. когда угол наклона α отрицателен. Переменное напряжение, измеряемое вольтметром 9, как и в первом случае, индицируется и регистрируется блоком 13 индикации и регистрации.

Если горная машина находится в горизонтальном положении и совершает вибрации в горизонтальном направлении, то происходит одновременное удлинение шнура 15 и укорочение шнура 16 или наоборот, при удлинении шнура 16 укорачивается шнур 15. Диаграмма сигналов (напряжений) U₁ и U₂на концах 19-20 и 21-22 жил 17 и 18 для этого случая показана на фиг.4. Сигналы U₁ и U₂ одинаковы по амплитудам и противоположны по фазе: при увеличении сигнала U₁ сигнал U₂ уменьшается и наоборот. Амплитуды синалов U₁ и U₂ пропорциональны квадратам удлинений жил 17 и 18. Сигналы U₁ и U₂ с выходов вольтметров 8 и 9 переменного напряжения поступают на входы измерителя 10 разности, на выходе которого формируется сигнал U₃, амплитуда которого равна сумме амплитуд сигналов U₁ и U₂, а фаза совпадает с фазой сигнала U₁. Блок 13 индикации и регистрации регистрирует и сигнал U₂ с выхода вольтметра 9 и сигнал U₃ с выхода измерителя 10 разности.

Если горная машина в наиболее общем случае наклонена под углом 0^о < α < 90^о и инерционный элемент 14 совершает колебания, отличные от вертикальных или горизонтальных, то сигнал на выходе вольтметра 9 характеризует амплитуду этих колебаний, а сигнал на выходе измерителя 10 разности характеризует и амплитуду, и направление вибраций горной машины, сигнал с выхода блока 12 характеризует угол наклона горной машины к горизонту. В этом общем случае вся совокупность сигналов индициируется и регистрируется трехканальным блоком 13.

Все сигналы с выходов блоков 6, 7, 12, 8, 9 и 10 в общем случае пропорциональны квадратам удлинения шнуров 15 и 16. В результате этого устройство имеет в n раз большую чувствительность к углу наклона и амплитуде вибрации по сравнению с известными устройствами, которые в лучшем случае имеют сигнал, прямо пропорциональный измеряемой величине. За счет увеличения чувствительности в n раз устройство имеет ровно в n раз меньшую погрешность измерений угла наклона, амплитуды и направления вибраций горной машины.

В устройстве для измерения величины и направления угла наклона горной машины, таким образом, одновременно измеряются четыре параметра: направление угла наклона, регистрируемое указателем 3, показывающим, в каком направлении повернута С-образная рама 29 по отношению к корпусу 1; угол α наклона горной машины к горизонту по значению U₁ и U₂ и его направление по знаку (U₁-U₂); амплитуда вибраций горной машины по величине напряжения на входе вольтметра 9; направление вибраций горной машины по соотношению сигналов с выхода вольтметра 9 и измерителя 10 разности. По функциональным возможностям устройство не имеет мировых аналогов, так как не существует устройств, которые могли бы одновременно измерять четыре указанных параметра, причем три последних параметра измеряются с помощью одного общего датчика, составленного инерционным элементом 14 и упругими шнурами 15 и 16.

Устройство для измерения величины и направления угла наклона объекта по сравнению с прототипом имеет следующие преимущества: вдвое расширены функциональные возможности за счет дополнительных измерений амплитуды и угла вибраций объекта; более чем вдвое уменьшены погрешности измерения всех четырех измеряемых параметров за счет увеличения в n раз чувствительностей к углу наклона, к амплитуде вибраций и в 2n раз к направлению вибраций (так как сигнал с выхода измерителя 10 разности имеет вдвое большую чувствительность, чем сигналы с выходов вольтметров 6, 7, 8, 9); увеличена надежность работы устройства по внезапным отказам за счет исключения сложного и имеющего механические узлы и детали однокоординатного наклономера. Все технические преимущества устройства достигнуты всеми вместе отличительными признаками устройства.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ И НАПРАВЛЕНИЯ УГЛА НАКЛОНА ОБЪЕКТА, содержащее корпус с установленным в нем телом вращения с возможностью вращения вокруг оси, перпендикулярной к основанию корпуса, однокоординатный наклономер, установленный на теле вращения, и указатель угла поворота тела вращения, отличающееся тем, что однокоординатный наклономер выполнен в виде инерционного элемента, подвешенного на двух эластичных упругих шнурах, жилы которых выполнены в виде петель нитей из электропроводной резины, устройство дополнительно снабжено двумя стабилизаторами тока, двумя вольтметрами постоянного напряжения, измерителем разности напряжений, задатчиком веса инерционного элемента и коэффициента жесткости шнуров, блоком вычисления угла наклона и трехканальным блоком индикации и регистрации, при этом концы каждой нити упругих шнуров соединены с выходами стабилизатора тока и входами вольтметров постоянного и переменного напряжения, выходы вольтметров постоянного напряжения соединены с первым и вторым входами блока вычисления угла наклона, третий вход которого соединен с выходом задатчика, а выход соединен с первым входом трехканального блока индикации и регистрации, выходы вольтметров переменного напряжения соединены с входами измерителя разности, выход которого соединен с вторым входом трехканального блока индикации и регистрации, третий вход которого соединен с выходом второго вольтметра переменного напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4