SU972213A1 - Device for measuring tilt angle - Google Patents

Description

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА НАКЛОНА(54) DEVICE FOR MEASURING AN INCLINATION ANGLE

1one

Изобретение относитс  к контрольноизмерительной технике, в частности к ма тниковым приборам дл  измерени  углов наклона сооружений или грунта при воздействии возмущений, вызываемых взрывом или землетр сением.The invention relates to reference measurement technology, in particular to erectors for measuring tilt angles of a structure or soil under the influence of disturbances caused by an explosion or an earthquake.

Известны ма тниковые приборы на базе вертикального отвеса, в основу которых положена способность ма тника всегда занимать вертикальное положение.Known tweaks are known on the basis of a vertical plumb, based on the tiller’s ability to always occupy a vertical position.

Известны также ма тниковые приборы, в которых механические перемещени  чечевицы ма тника преобразуютс  в электрический сигнал, управл ющий индикатором (указателем или самопищущим прибором).Also known are pots in which the mechanical movements of a panicle are transformed into an electrical signal that controls the indicator (pointer or self-squeaking device).

В данных приборах, как правило, примен ютс  три типа преобразователей: магнитные, служащие дл  подачи сигнала на выключатели в зад,анных углах при пересечении магнита на стержне или чечевице подвижного элемента; фотоэлектрнческие, работающие в паре с закрепленным на ма тнике зеркалом; индуктивные, где ма тннк используетс  как подвижный сердечник в дифференциальной схеме.In these devices, as a rule, three types of transducers are used: magnetic, which serve to give a signal to the switches in the rear, these corners when the magnet is crossed on a rod or lentil of a moving element; photoelectric, working in tandem with a mirror fixed on the workbench; inductive, where the mnna is used as a moving core in a differential circuit.

При нзмеренни углов наклона сооружений в грунте, вызываемых сейсмовзрывиымнWhen spraying angles of structures in the ground, caused by seismic explosion

волнами и землетр сением наибольшее применение наход т приборы с преобразовател ми индуктивного типа, так как эти приборы наиболее устойчивы к перегрузкам и обеспечивают достаточную надежность измерений в определенных пределах.Waves and earthquakes are most widely used for instruments with inductive type converters, since these instruments are most resistant to overloads and provide sufficient reliability of measurements within certain limits.

Дл  измерени  углов наклона сооружений или грунта при воздействии возмущений , вызываемых взрывом, пользуютс  датчиком угла наклона, который содержит корпус , ма тник, подвешенный на шарнирной To measure the angle of inclination of a structure or ground under the influence of disturbances caused by an explosion, use the angle of inclination sensor, which includes a housing, a pendulum suspended by a hinged

10 крестовине. На ос х крестовины жестко закреплены парные стрелки, несущие на своих концах ферромагнитные сердечники, взаимодействующие с катущками индуктивности преобразователей перемещени  в10 cross. On the axes of the crosses there are rigidly fixed paired arrows, carrying at their ends ferromagnetic cores interacting with the inductors of the transducers moving in

,5 электрический сигнал. Дл  обеспечени  демпфированн  нижн   часть ма тника погружена в ванну с жидкостью. Перед измерени ми корпус датчика жестко скрепл ют с измер емым объектом 1.5 electric signal. To ensure that the damped lower part of the tiller is immersed in a bath of liquid. Before measurements, the sensor body is rigidly fastened with the object to be measured 1.

С помощью этого датчика можно измер ть наклоны с предельными углами до ±3°, что часто недостаточно по услови м измерений, а при больших углах наклона сердечники преобразователей задевают за внутреннюю поверхность канала катушекUsing this sensor, you can measure inclinations with limiting angles of up to ± 3 °, which is often insufficient under the measurement conditions, and at large angles of inclination the cores of the transducers touch the inner surface of the coil channel

индуктивности. Кроме того, вырабатываемый датчиком сигнал трубет усилени , при этом пропорционально усиливаютс  помехи , что иногда не дает возможности выделить полезный сигнал из помех.inductance. In addition, the signal of the amplification tube produced by the sensor, while the interference is proportionally amplified, which sometimes makes it impossible to isolate the useful signal from the interference.

Наибольшие углы наклона объектов позвол ют измер ть приборы с фазовращател ми , практически такими приборами можно измер ть наклоны (развороты) до 360°.The largest angles of inclination of objects make it possible to measure devices with phase shifters; practically with such devices one can measure inclinations (turns) up to 360 °.

Наиболее близок к предлагаемому по технической сущности прибор, включающий щаговый коммутатор и Датчики с фазовращател ми . Фазовращатели подключены к двум модул торам, каждый из которых соединен с генератором и фазовращателем, а выходы датчиков св заны с щаговым коммутатором через синхронный детектор И.Closest to the proposed by the technical nature of the device, which includes a schagovy switch and sensors with phase shifters. Phase shifters are connected to two modulators, each of which is connected to a generator and a phase shifter, and the sensor outputs are connected to a jog switch through a synchronous detector I.

Известный прибор сложен по конструкции и содержит много электронных элементов , что снижает его надежность и ограничивает применение, особенно, в услови х перегрузок, вызываемых взрывами. В указанном приборе затруднено выделение полезного сигнала от помех, когда их величины соизмеримы, что затрудн ет измерени  небольщих углов наклона.The known device is complicated in construction and contains many electronic elements, which reduces its reliability and limits its use, especially in conditions of overloads caused by explosions. In this device, it is difficult to isolate a useful signal from interference when their values are commensurate, which makes it difficult to measure small angles of inclination.

Цель изобретени  - повышение точности и расщирение диапазона измерений.The purpose of the invention is to improve the accuracy and widening the measurement range.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в у/стройство, содержащее чувствительный элемент в виде ма тника, фазовращатель, генератор опорного напр жени , фазовый детектор, регистрирующий прибор, ротор фазовращател  соединен с осью чувствительного элемента, первый выход опорного генератора соединен со входом фазовращател , а регистрирующий прибор соединен с выходом фазового детектора, введены первый и второй умножь те:и частоты и фазокомпенсатор , причем аервого умножител  частоты- соединен с выходом фазовращател , а выход - с первым входом фазового детектора, второй выход опорного генератора соединен с 1тервым входом второго умножител  частоты, выход второго умножител  частоты соединен с выходом фазокомпенсатора, выход которого соединен со вторым входом фазового детектора.The goal is achieved by the fact that a device containing a sensitive element in the form of a tiller, a phase shifter, a reference voltage generator, a phase detector, a recording device, a phase rotator rotor is connected to the axis of the sensitive element, the first output of the reference generator is connected to the phase shifter input, and the registering device is connected to the output of the phase detector, the first and second multipliers are introduced: both the frequencies and the phase compensator, and the first frequency multiplier is connected to the output of the phase shifter, and the output is connected to the first input ohm phase detector, the second output of the reference generator is connected to the 1st input of the second frequency multiplier, the output of the second frequency multiplier is connected to the output of the phase compensator, the output of which is connected to the second input of the phase detector.

На фиг. 1 изображено устройство, общий вид; на фиг. 2 - вид А на фиг. 1; на фиг. 3 - функциональна  схема устройства; на фиг. 4 - схема умножител ; на фиг. 5 - сравнительный график изменени  абсолютной ошибки измерений и полосы неопределенности до и после умножени  частоты сигнала; на фиг. 6 - сравнительный график относительной ошибки измерений до и после умножени  частоты сигнала.FIG. 1 shows the device, a general view; in fig. 2 is a view A of FIG. one; in fig. 3 - functional device diagram; in fig. 4 - multiplier circuit; in fig. 5 is a comparative graph of the change in the absolute measurement error and the uncertainty band before and after multiplying the signal frequency; in fig. 6 is a comparative graph of the relative measurement error before and after multiplying the signal frequency.

Устройство (фиг. 1) содержит основание 1, на вертикальной стойке которого в подшипнике качени  установлен ма тник 2. С осью .вращени  ма тника св зан ротор фазовращател  3 (тип фазовращател  БИФ-14 закрепленного в корпусе 4. Ма тниковый узел с фазовращателем закрыт заи итнымThe device (Fig. 1) contains a base 1, on the vertical stand of which a tandem 2 is installed in a rolling bearing. The rotor of the phase shifter 3 is connected to the axis of the model (type BIF-14 phase shifter fixed in the housing 4. The node of the phase shifter is closed ad hoc

кожухом 5, снабженным разъемом 6, к которому подсоединен блок 7 с электронными элементами устройства, на передней панелн которого имеетс  указательный прибор,a casing 5 equipped with a connector 6 to which the block 7 is connected with the electronic elements of the device, on the front panel of which there is a pointing device,

служащий дл  контрол  балансировки схемы , что в исходном состо нии обеспечивает контроль нулевого положени  стрелки, а также имеетс  узел регулировани  от фазокомпенсатора 8, посредством которого устанавливаетс  нулевое положение. С блоком 7This serves to control the balancing of the circuit, which in the initial state provides control of the zero position of the arrow, and there is also an adjustment unit from the phase compensator 8, by means of which the zero position is established. With block 7

св зан регистрирующий прибор 9, например осциллограф типа И-117.A recording device 9 is coupled, for example an I-117 type oscilloscope.

С одним выводом фазовращател  3 св зан опорный генератор 10, изготовленный на полупроводниковых триодах типа МП 16Б.With one output of the phase shifter 3 is connected a reference generator 10 made on semiconductor triodes of the MP 16B type.

Выход генератора соединен с входом умножител  11 частоты, выход которого через фазокомпенсатор 12 св зан с входом фазового детектора 13. Второй вывел, фазовращател  3 св зан со входом второго умножител  14 частоты, выход которого также св зан со вторым входом детектора 13. Фазовый детектор соединен с регистрирующим устройством 9. Каждый из умножителей частоты выполнен на операционных усилител х 15 типа УТ401Б. В качествеThe output of the generator is connected to the input of frequency multiplier 11, the output of which is connected via phase compensator 12 to the input of phase detector 13. The second output is connected to phase shifter 3 with the input of second frequency multiplier 14, the output of which is also connected to second input of detector 13. Phase detector is connected with a recording device 9. Each of the frequency multipliers is made on an operational amplifier 15 of the type UT401B. As

фильтра применена резонансна  система 16, состо ща  из двух контуров с индуктивной св зью, настроенна  на 50 кГц.filter applied resonant system 16, consisting of two circuits with inductive coupling, tuned to 50 kHz.

Фазовый детектор 13 состоит из двух встречно включенных амплитудных детекторов , на входы которых плдаютс  сигналыThe phase detector 13 consists of two amplitude detectors with counter-on, the inputs of which receive signals

напр жени  с фазовращател  Uo и опорное Ul . Перед. измерени ми основание 1 крепитс  к сооружению или устанавливаетс  в скважине.voltage with phase shifter Uo and reference Ul. Before. The measurement base 1 is attached to the structure or installed in the well.

При наклоне основани  1 происходит поворот оси ма тника, а следовательно, и вращение ротора фазовращател  3. При этом происходит сдвиг-фаз между опорным ТГ выходным напр жением фазоврашател . Переменное напр жение с опорногоWhen the base 1 is tilted, the axis of the tilt rotates, and consequently, the rotor of the phase shifter 3 rotates. In this case, a phase shift occurs between the reference TG and the output voltage of the phase generator. AC voltage from the reference

генератора поступает на умножитель 11 частоты опорного сигнала, а на умножитель J4 частоты измер емого сигнала оно поступает непосредственно с фазовращател  3. На них производитс  умножение сигнала в п раз. С умножител  опорного сигналаthe generator is fed to the multiplier 11 of the frequency of the reference signal, and to the multiplier J4 of the frequency of the measured signal it comes directly from the phase shifter 3. They are multiplied by a signal n times. With reference signal multiplier

напр жение частотой wtn (cJt - текущее значение частоты) через фазокомпенсирующее устройство 12 поступает на вход фазового детектора 13. С умножител  И частоты напр жение поступает на другой входVoltage frequency wtn (cJt - current frequency value) through phase compensating device 12 is fed to the input of the phase detector 13. With multiplier And frequency voltage is fed to another input

фазового детектора. На фазовом детекторе выдел етс  посто нное напр жение, пропорциональное разности фаз.phase detector. A constant voltage proportional to the phase difference is detected on the phase detector.

Известно, что разностью фаз двух гармонических колебаний  вл етс  разность фаз аргументов их синусов, т. е.It is known that the phase difference of two harmonic oscillations is the phase difference of the arguments of their sines, i.e.

Acf(u)t )-()(и/-ь;)1+(То-,)Ро-Т,,-(1)Acf (u) t) - () (and / -;) 1+ (To -,) Ro-T ,, - (1)

где cJt - текущее значение частоты;where cJt is the current frequency value;

Гд и «к, - начальные фазы напр жений Uo и U(Gd and k, are the initial phases of the voltages Uo and U (

При умножении частоты разность фаз, регистрируема  умножителем, равна:When the frequency is multiplied, the phase difference recorded by the multiplier is:

fn(%-%)(2)fn (% -%) (2)

В данном случае не учтена разность сдвига фаз YO и У| напр жений умножителей, так как величина ее почти не измен етс  со временем и определ етс  фазочастотнымн характеристиками умножителей. Эта разность сдвнга фаз может быть компенсирована фазокомпенсатором 12.In this case, the difference in the phase shifts YO and Y | the voltages of the multipliers, since its magnitude hardly changes with time and is determined by the phase-frequency characteristics of the multipliers. This phase shift displacement can be compensated for by a phase compensator 12.

При преобразованни угла в напр жение на начальном участке характеристики фазового детектора функцию преобразовател  можно представить линейной в видеWhen converting the angle to the voltage in the initial part of the characteristics of the phase detector, the function of the converter can be represented as linear in the form

UBb,x ,(3)UBb, x, (3)

где S величина характеризующа  крутизну характеристики фазового детектора;where S is a value characterizing the steepness of the phase detector characteristic;

f -угол сдвига фаз между опорным напр жением и напр жением сигнала.f is the phase shift angle between the reference voltage and the signal voltage.

При этом погрешность  вл етс  аддитивной , а уравнение преобразовани  определ етс  выражениемIn this case, the error is additive, and the transformation equation is determined by the expression

(ч+Лср ).(4)(h + lsr). (4)

Величина Дч представл ет собой полосу неопределенности, а ее интервал равен 2Л.The magnitude of QH is a band of uncertainty, and its interval is 2L.

При этом погрешность измерени  остаетс  посто нной, не завис щей от величины измер емого угла дл  любых величин f . Текущее значение изменени  относительной погрешности преобразовани  gM - обратно пропорционально f и измен етс  по гиперболическому закону.In this case, the measurement error remains constant, independent of the magnitude of the measured angle for any values of f. The current value of the change in the relative error of the transformation gM is inversely proportional to f and varies according to a hyperbolic law.

Введение в устройство умножителей частоты позвол ет повысить крутизну характеристики путем увеличени  разности фаз. Согласно выражению (2) при умножении частоты растет . разность фаз, а следовательно, и , которое зависит от и определ етс  выражениемIntroducing a frequency multiplier into the device improves the slope of the characteristic by increasing the phase difference. According to expression (2), as the frequency multiplies, it increases. the phase difference, and therefore, and which depends on and is determined by the expression

ифд 2KaUcos4,(5)ifd 2KaUcos4, (5)

где -напр жение на выходе фазового детектора; Кд - коэффициент детектировани ,where is the voltage at the output of the phase detector; Cd is the detection rate

учитывающий; RBH приведенные сопротивлени taking into account; RBH reduced resistances

детектора;detector;

Кд сопротивление открытого диода;Cd resistance of an open diode;

Ui амплитуда входного сигна а; «fугол сдвнга между опорным напр жением и напр жением сигнала.Ui amplitude of the input signal; “Fault angle between reference voltage and signal voltage.

Увеличение крутизны преобразовани  приводит к уменьшению абсолютной и относительной ошибок измерени .Increasing the conversion slope results in a decrease in absolute and relative measurement errors.

Из анализа графиков (фиг. 5 и 6) изменени  абсолютной и относительной погрешностей в зависимости от крутизны преобразовани  следует, что абсолютна  ошибка измерени  уменьшаетс  в4чГ| |,раз вследствие уменьшени  зоны неопределенности (награфике фнг. 5, сн том с макета предлагаемого устройства, зона неопределенности изображена в виде заштрихованных полос, полоса I - до умножени  частоты, а полоса II - после умножени  частоты сигнала в 10,,j. е. , при этом ширина полосы Л J 10 мА).From the analysis of the graphs (Figs. 5 and 6) of the change in the absolute and relative errors, depending on the steepness of the conversion, it follows that the absolute measurement error decreases in 4 hG | |, times due to a decrease in the zone of uncertainty (award 5, removed from the layout of the proposed device, the zone of uncertainty is depicted as shaded bands, band I - before frequency multiplication, and band II - after multiplying the signal frequency by 10, j. e ., while the bandwidth L J 10 mA).

Из графика, изображенного на фиг. 5, следует, что при угле наклона 21° до умножени  частоты сигнала зона неопределенности 2ЛЧ лежит в пределах от 9 до 33,From the graph shown in FIG. 5, it follows that at a slope of 21 ° before multiplying the frequency of the signal, the uncertainty zone 2 of the frequency range is from 9 to 33

- а значение 5вых 8 мА, а после умножени  . в 10 раз лежит в пределах от 19 до 23, а значение Звыл возрастает до 70 мА, т. е. значительно снижает погрешность измерений и повышаетс  чувствительность устройства . На графике 6 крива  I изображает относительную ошибку до умножени , а крива  II - после умножени  частоты сиг нала в 10 раз. Из анализа этого графика видно, что при умножении частоты сигнала погрешность измерений снижаетс .- a value of 5 out 8 mA, and after multiplying. 10 times lies in the range from 19 to 23, and the value of Svil increases to 70 mA, i.e., significantly reduces the measurement error and increases the sensitivity of the device. On chart 6, curve I represents the relative error before multiplication, and curve II, after multiplying the signal frequency by 10 times. From the analysis of this graph, it can be seen that when the frequency of the signal is multiplied, the measurement error decreases.

При проверке измер ют угол наклонаWhen checking the measured angle

в пределах ±15°. При этом без умножителей чувствительность составл ет 10 мА при наклоне на 1°, а с применением умножителей с п 10 эту же чувствительность 10 мА получают при наклоне равном 6°. within ± 15 °. In this case, without multipliers, the sensitivity is 10 mA when tilted by 1 °, and with the use of multipliers with n 10, the same sensitivity of 10 mA is obtained when the slope is 6 °.

5 Полученные данные и анализ графиков фиг. 5 и фиг. 6 свидетельствуют, что расширение диапазона происходит вследствие возможности измерени  меньших углов наклона.5 Obtained data and graph analysis of FIG. 5 and FIG. 6 indicate that the range is expanded due to the possibility of measuring smaller angles of inclination.

30thirty

Claims (2)

1.Авторское свидетельство СССР № 672486 кл. G 01 С 9/14, 15.06.77.1. USSR author's certificate number 672486 cl. G 01 C 9/14, 15.06.77. 2.Авторское свидетельство СССР 2. USSR author's certificate № 462019, кл: Е 21 В 47/02 04.03.78 (прототип ).No. 462019, cells: Е 21 В 47/02 03/04/78 (prototype). Фиг./Fig. /