RU203612U1 - Device for determining the direction of small deviations from the vertical - Google Patents
Device for determining the direction of small deviations from the vertical Download PDFInfo
- Publication number
- RU203612U1 RU203612U1 RU2020143198U RU2020143198U RU203612U1 RU 203612 U1 RU203612 U1 RU 203612U1 RU 2020143198 U RU2020143198 U RU 2020143198U RU 2020143198 U RU2020143198 U RU 2020143198U RU 203612 U1 RU203612 U1 RU 203612U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- load
- pipe
- cylindrical pipe
- dielectric
- vertical
- Prior art date
Links
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000011195 cermet Substances 0.000 claims description 5
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 7
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 7
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 7
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 6
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 5
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 5
- 238000005065 mining Methods 0.000 description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 230000011664 signaling Effects 0.000 description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 2
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 2
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 2
- 229920004936 Lavsan® Polymers 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 1
- 229910052573 porcelain Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C9/00—Measuring inclination, e.g. by clinometers, by levels
- G01C9/02—Details
- G01C9/06—Electric or photoelectric indication or reading means
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к устройствам для определения направления отклонения элементов объектов от вертикали. Технический результат заключается в увеличении чувствительности устройства при малых углах отклонений. Устройство для определения направления малых отклонений различных объектов от вертикали состоит из полупроводящей цилиндрической трубы, толщиной в диапазоне от десятых долей до нескольких миллиметров, с диэлектрической крышкой и диэлектрическим дном, герметично закрепленным на трубе, при этом диэлектрическое дно соединено с горизонтальной плоскостью кронштейна таким образом, чтобы внешняя плоскость дна была перпендикулярна вертикальной плоскости кронштейна, предназначенной для примыкания к вертикальной плоскости объекта, также внешняя плоскость дна перпендикулярна оси цилиндрической трубы, внутри которой помещен груз цилиндрической формы из электропроводящего материала, подвешенный соосно цилиндрической трубе на закрепленной в крышке гибкой электропроводящей нити так, чтобы груз не касался дна, емкость в виде стакана, образованная цилиндрической трубой и дном, наполнена трансформаторным маслом, уровень которого позволяет грузу быть полностью погруженным в него; снаружи на цилиндрическую трубу вплотную надето диэлектрическое кольцо с винтами, по высоте расположенное таким образом, чтобы место касания груза и трубы было как можно ближе к винтам, проходящим сквозь кольцо и концами упирающимся в цилиндрическую трубу, винты с помощью подпружиненного контакта соединены с выводящими проводами, подключенными к сигнальным элементам, в свою очередь связанным с кольцевым наружным электродом, при этом кольцевой электрод и электропроводящая нить, выходящая из крышки, подключены к источнику постоянного напряжения. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.The utility model relates to devices for determining the direction of deviation of elements of objects from the vertical. The technical result consists in increasing the sensitivity of the device at small angles of deviation. A device for determining the direction of small deviations of various objects from the vertical consists of a semiconducting cylindrical pipe, with a thickness in the range from tenths to several millimeters, with a dielectric cover and a dielectric bottom, hermetically fixed to the pipe, while the dielectric bottom is connected to the horizontal plane of the bracket in this way, so that the outer plane of the bottom is perpendicular to the vertical plane of the bracket, intended for abutting the vertical plane of the object, and the outer plane of the bottom is perpendicular to the axis of the cylindrical pipe, inside which is placed a cylindrical load of electrically conductive material, suspended coaxially to the cylindrical pipe on a flexible electrically conductive thread fixed in the lid, so, so that the load does not touch the bottom, a container in the form of a glass, formed by a cylindrical pipe and a bottom, is filled with transformer oil, the level of which allows the load to be completely immersed in it; on the outside, a dielectric ring with screws is tightly put on the cylindrical pipe, the height is located so that the place of contact between the load and the pipe is as close as possible to the screws passing through the ring and the ends abutting the cylindrical pipe, the screws are connected to the output wires by means of a spring-loaded contact, connected to the signal elements, in turn connected to the annular outer electrode, while the annular electrode and the electrically conductive thread coming out of the cover are connected to a constant voltage source. 1 wp f-ly, 7 ill.
Description
Полезная модель относится к области приборостроения, конкретнее, к устройствам для определения направления отклонения различных объектов от вертикали и может быть использована в области геодезии при наблюдениях за деформациями сооружений, строительстве, горном деле, в нефтяной и газовой промышленности при бурении скважин, а также в измерительной технике и технике физического эксперимента.The utility model relates to the field of instrumentation, more specifically, to devices for determining the direction of deviation of various objects from the vertical and can be used in the field of geodesy when observing deformations of structures, construction, mining, in the oil and gas industry when drilling wells, as well as in measuring technique and technique of physical experiment.
Известен сигнализатор угла наклона RU 2156957 С2 (G01C 9/00, G01C 9/12, 2000). Изобретение содержит стакан с крышкой, в которой установлена шаровая опора с жестко закрепленными на ней двумя стержнями, нижний из которых соединен с маятником, расположенным внутри стакана, заполненного демпфирующей жидкостью, а верхний замыкает на массу контактные кольца при определенных углах крена машины, два регулировочных болта, каждый из которых соединен с одним из контактных колец так, что при их ввинчивании или вывинчивании обеспечивается независимое перемещение контактных колец (соответственно вверх или вниз) вдоль оси сигнализатора. Недостатком устройства является низкая чувствительность при малых углах наклона.Known tilt angle indicator RU 2156957 C2 (
Известно устройство для измерения величины и направления угла наклона объекта RU 2055314 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. Недостатком устройства так же, как и в предыдущем случае, является низкая чувствительность при малых углах наклона.Known device for measuring the magnitude and direction of the angle of inclination of the object RU 2055314 to the means of automatic control of the angle of inclination of mining and roadheaders, and can be used in the automation of mining or sinking in coal, iron ore, salt and other mines during underground mining or sinking, as well as for measuring the angles of inclination of bucket wheel excavators, reloaders, downhole and underground conveyors and other mining machines. The essence of the invention: a device for measuring the magnitude and direction of the angle of inclination of an object contains a body with a body of revolution, the axis of which is perpendicular to the base of the body, a one-coordinate tiltmeter mounted on the body of rotation, an indicator of the angle of rotation of the body of rotation is made in the form of an inertial element suspended on two horizontal elastic elastic cords , the cores of which are made in the form of threads of electrically conductive rubber, an indicator of the rotation angle of the body of rotation. In addition, the device is equipped with two current stabilizers, two DC voltmeters, two AC voltmeters, a voltage difference meter, an inertial element weight and a cord stiffness factor, a tilt angle calculation unit and a three-channel display and recording unit, with the ends of each thread of elastic cords are connected to the outputs of the current stabilizer and the inputs of DC and AC voltmeters, the outputs of DC voltmeters are connected to the first and second inputs of the tilt angle calculation unit, the third input of which is connected to the output of the master, and the output is connected to the first input of the three-channel display and registration unit, the outputs of the voltmeters AC voltage are connected to the inputs of the difference meter, the output of which is connected to the second input of the three-channel display and registration unit, the third input of which is connected to the output of the second AC voltage voltmeter. The disadvantage of the device, as in the previous case, is its low sensitivity at small angles of inclination.
Наиболее близким по технической сущности с заявляемой полезной моделью является инклинометр RU 2401426, который содержит чувствительный элемент в виде плоской кюветы из прозрачных подложек с прозрачными электродами на внутренних сторонах. Боковые грани кюветы соединены между собой вертикальными патрубками. Кювета и патрубки до некоторого уровня заполнены жидким кристаллом с положительной диэлектрической анизотропией, жидкому кристаллу в пределах кюветы задана исходная гомеотропная ориентация. На внешних сторонах кюветы установлены поляроиды в скрещенном положении и оптоэлектронная пара, фиксирующая величину сигнала при перетекании жидкого кристалла вследствие изменения уровня жидкого кристалла в патрубках при наклоне платформы, на которой установлены все узлы инклинометра. Возможно измерение углов отклонения в стационарном режиме, если направление наклона заранее известно. Для измерений наклонов с неизвестным заранее направлением наклона платформа выполнена из верхней вращающейся на 360° части и нижней неподвижной части, имеющей 3 опоры, по крайней мере, две из которых имеют возможность перемещения по вертикали. Верхняя часть платформы приводится во вращательное движение, в кювете возникают периодические перетекания ЖК, оптоэлектронная пара фиксирует синусоидальный сигнал, по величине которого судят о величине наклона. The closest in technical essence to the claimed utility model is the inclinometer RU 2401426, which contains a sensitive element in the form of a flat cuvette made of transparent substrates with transparent electrodes on the inner sides. The side faces of the cuvette are interconnected by vertical pipes. The cuvette and nozzles are filled to a certain level with a liquid crystal with positive dielectric anisotropy, the initial homeotropic orientation is set to the liquid crystal within the cell. On the outer sides of the cuvette, polaroids are installed in a crossed position and an optoelectronic pair, which fixes the signal value when the liquid crystal flows due to a change in the level of the liquid crystal in the nozzles when the platform is tilted, on which all nodes of the inclinometer are installed. It is possible to measure deflection angles in a stationary mode if the direction of inclination is known in advance. For measurements of inclinations with a previously unknown direction of inclination, the platform is made of an upper part rotating through 360 ° and a lower stationary part having 3 supports, at least two of which are vertically movable. The upper part of the platform is set in rotary motion, periodic overflows of liquid crystals appear in the cell, the optoelectronic pair captures a sinusoidal signal, the value of which is used to judge the value of the slope.
Недостатком указанного устройства является сложность конструкции, малая скорость реакции и недостаточная чувствительность при малых углах отклонения.The disadvantage of this device is the complexity of the design, low reaction rate and insufficient sensitivity at small angles of deflection.
При этом основная техническая проблема заключается в создании устройства для определения направления малых отклонений от вертикали, имеющего большую чувствительность при малых углах отклонения.In this case, the main technical problem is to create a device for determining the direction of small deviations from the vertical, having a high sensitivity at small angles of deviation.
Решение указанной технической проблемы достигается за счет того, что устройство для определения направления малых отклонений различных объектов от вертикали состоит из полупроводящей цилиндрической трубы, толщиной в диапазоне от десятых долей до нескольких миллиметров, с диэлектрической крышкой и диэлектрическим дном, герметично закрепленным на трубе, при этом диэлектрическое дно соединено с горизонтальной плоскостью кронштейна таким образом, чтобы внешняя плоскость дна была перпендикулярна вертикальной плоскости кронштейна, предназначенной для примыкания к вертикальной плоскости объекта, также внешняя плоскость дна перпендикулярна оси цилиндрической трубы, внутри которой помещен груз цилиндрической формы из электропроводящего материала, подвешенный соосно цилиндрической трубе на закрепленной в крышке гибкой электропроводящей нити так, чтобы груз не касался дна, емкость в виде стакана, образованная цилиндрической трубой и дном, наполнена трансформаторным маслом, уровень которого позволяет грузу быть полностью погруженным в него; снаружи на цилиндрическую трубу вплотную надето диэлектрическое кольцо с винтами, по высоте расположенное таким образом, чтобы место касания груза и трубы было как можно ближе к винтам, проходящим сквозь кольцо и концами упирающимся в цилиндрическую трубу, винты с помощью подпружиненного контакта соединены с выводящими проводами, подключенными к сигнальным элементам, в свою очередь связанным с кольцевым наружным электродом, при этом кольцевой электрод и электропроводящая нить, выходящая из крышки, подключены к источнику постоянного напряжения. Полупроводящая цилиндрическая труба может быть изготовлена из кермета толщиной 1 мм.The solution to this technical problem is achieved due to the fact that the device for determining the direction of small deviations of various objects from the vertical consists of a semiconducting cylindrical pipe, with a thickness in the range from tenths to several millimeters, with a dielectric cover and a dielectric bottom, hermetically fixed on the pipe, while the dielectric bottom is connected to the horizontal plane of the bracket so that the outer plane of the bottom is perpendicular to the vertical plane of the bracket intended to adjoin the vertical plane of the object, and the outer plane of the bottom is perpendicular to the axis of the cylindrical pipe, inside which is placed a cylindrical load of electrically conductive material, suspended coaxially cylindrical pipe on a flexible electrically conductive thread fixed in the lid so that the load does not touch the bottom, the container in the form of a glass formed by the cylindrical pipe and the bottom is filled with transformer oil, the level of which allows allows the cargo to be completely immersed in it; a dielectric ring with screws is placed on the outside of the cylindrical pipe, the height is located so that the point of contact of the load and the pipe is as close as possible to the screws passing through the ring and the ends abutting against the cylindrical pipe, the screws are connected with the output wires by means of a spring-loaded contact, connected to the signal elements, in turn connected to the annular outer electrode, while the annular electrode and the electrically conductive thread coming out of the cover are connected to a constant voltage source. The semi-conductive cylindrical tube can be made of 1 mm thick cermet.
Увеличение чувствительности устройства происходит за счет создания электрического поля между цилиндрическим грузом и стенками цилиндра. Для этого через электропроводящую нить подают на цилиндр и груз постоянное электрическое напряжение. Даже при очень небольшом значении отклонения, расстояние между грузом и стенкой цилиндра в направлении отклонения уменьшится, а в противоположном направлении – увеличится. Это приведет к тому, что электростатическая сила притяжения в направлении отклонения возрастет, а в противоположном – уменьшится. Следовательно, груз еще больше отклонится в направлении первоначального отклонения. Таким образом, образуется положительная обратная связь – угол отклонения будет увеличиваться именно в направлении исходного отклонения и продолжаться это будет до тех пор, пока угол не достигнет относительно большого и поэтому легко определяемого значения, обусловленного балансом результирующей электростатической силы и возвращающей силы, возникающей при отклонении груза на нити от вертикали за счет гравитации. Следует отметить, что если приложенное электрическое напряжение достаточно велико, то возвращающая сила может и не скомпенсировать электростатические силы. В этом случае отклонение будет продолжаться до тех пор, пока груз не коснется стенки цилиндра в направлении отклонения. Фиксируя положение этой точки, очевидно, легко определить направление отклонения.The increase in the sensitivity of the device occurs due to the creation of an electric field between the cylindrical weight and the walls of the cylinder. For this, a constant electric voltage is supplied to the cylinder and the load through an electrically conductive thread. Even with a very small deflection value, the distance between the weight and the cylinder wall will decrease in the deflection direction and increase in the opposite direction. This will lead to the fact that the electrostatic force of attraction in the direction of deflection increases, and in the opposite direction - decreases. Consequently, the load will deflect even more in the direction of the initial deflection. Thus, a positive feedback is formed - the deflection angle will increase precisely in the direction of the initial deflection and this will continue until the angle reaches a relatively large and therefore easily determined value due to the balance of the resulting electrostatic force and the restoring force arising from the deflection of the load on the thread from the vertical due to gravity. It should be noted that if the applied voltage is high enough, the restoring force may not compensate for the electrostatic forces. In this case, deflection will continue until the weight touches the cylinder wall in the direction of deflection. By fixing the position of this point, it is obviously easy to determine the direction of the deviation.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в том, что при помощи постоянного напряжения, приложенного к стенкам стакана и грузу, увеличивается угол отклонения груза. Таким образом, достигается решение технической проблемы - устройство для определения направления малых отклонений от вертикали повышает свою чувствительность при малых углах. Кроме того, по сравнению с прототипом, устройство имеет более простую и надежную конструкцию.The technical result of the claimed utility model is that by means of a constant voltage applied to the walls of the glass and the load, the angle of deflection of the load increases. Thus, a solution to a technical problem is achieved - a device for determining the direction of small deviations from the vertical increases its sensitivity at small angles. In addition, in comparison with the prototype, the device has a simpler and more reliable design.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами.The claimed technical solution is illustrated by drawings.
На фиг. 1 - устройство для определения направления малых отклонений от вертикали, вид сбоку.FIG. 1 - device for determining the direction of small deviations from the vertical, side view.
На фиг. 2 - устройство для определения направления малых отклонений от вертикали, вид сверху.FIG. 2 - a device for determining the direction of small deviations from the vertical, top view.
На фиг. 3 - груз на нити в цилиндре при отсутствии электрического поля между грузом и стенками цилиндра (сплошные линии) и при наличии поля за счет подачи постоянного электрического напряжения U (пунктир). На схеме (фиг. 3), показаны: – источник напряжения, – исходный угол отклонения, - значение отклонения (возникают из-за того, что наклонилась плоскость на которой расположено устройство), – угол отклонения в результате приложения напряжения, - значение отклонения в горизонтальной плоскости в результате приложения напряжения. Рисунок выполнен относительно неподвижной горизонтальной системы отсчета. FIG. 3 - load on a thread in a cylinder in the absence of an electric field between the load and the walls of the cylinder (solid lines) and in the presence of a field due to the supply of a constant electric voltage U (dotted line). The diagram (Fig. 3) shows: - voltage source, - initial deflection angle, - the deviation value (arising from the fact that the plane on which the device is located tilted), - the angle of deflection as a result of the application of stress, - the value of the deviation in the horizontal plane as a result of the application of stress. The figure is made with respect to a fixed horizontal frame of reference.
На фиг. 4 - модель для расчета влияния электрического поля на отклонение груза 4 в системе отсчета, связанной со стенками трубы-цилиндра 1. Точечный пунктир – исходное положение при строго горизонтальном расположении дна 3 трубы 1. Штрихпунктирная линия – положение груза 4 при небольшом наклоне дна 3 трубы 1. Пунктирная линия – равновесное положение при подаче электрического напряжения между грузом 4 и трубой 1. – тянущая площадь, – расстояние между грузом 4 и стенками сосуда 1. Рисунок в системе отсчета, связанной с трубой. FIG. 4 - a model for calculating the effect of an electric field on the deflection of the
На фиг. 5 - электростатические и возвращающая силы при в зависимости от смещения груза 4 от исходного положения. Соответствующие электрические напряжения .FIG. 5 - electrostatic and returning forces at depending on
На фиг. 6 - электростатические и возвращающая силы в зависимости от смещения груза 4 от исходного положения. Соответствующие электрические напряжения .FIG. 6 - electrostatic and returning strength depending on
На фиг. 7 - схема измерения направления отклонения (вид сверху). FIG. 7 is a diagram for measuring the direction of deflection (top view).
Устройство (фиг. 1) состоит из тонкостенной полупроводящей цилиндрической трубы 1 с диэлектрической крышкой 2 и строго перпендикулярным стенкам диэлектрическим дном 3, герметично посаженным на трубу 1, в которую помещен груз цилиндрической формы 4 на электропроводящей нити 5. При отсутствии наклона, труба цилиндрической формы 1 и груз цилиндрической формы 4 должны быть соосны (груз расположен симметрично относительно стенок), стенки трубы 1 должны быть параллельны стенкам груза 4. Труба 1 наполнена трансформаторным маслом 6.The device (Fig. 1) consists of a thin-walled semiconducting
Снаружи на трубу 1 вплотную надето диэлектрическое кольцо 7 с винтами 8. Кольцо 7 по высоте должно располагаться таким образом, чтобы место касания груза 4 и трубы 1 было как можно ближе к винтам 8.Outside, a
Винты имеют полусферический конец, упирающийся в трубу 1, а другим концом с помощью подпружиненного контакта соединены с выводящими проводами 9. От винтов 8 отходят контактные провода 9 к сигнальным элементам 10, которые связаны с кольцевым наружным электродом 11. Кольцевой наружный электрод 11 и электропроводящая нить 5 подключены к источнику постоянного напряжения U.The screws have a hemispherical end abutting against the
Диэлектрическое дно 3 устройства соединено с горизонтальной плоскостью кронштейна 12, предназначенного для закрепления устройства на вертикальной плоскости объекта 13, положение которого подлежит контролю, таким образом, чтобы внешняя плоскость дна 3 была строго перпендикулярна вертикальной плоскости кронштейна 12, примыкающей к вертикальной плоскости объекта 13.The
Труба 1 может быть изготовлена из полупроводящего материала с тонкими стенками, лучше всего для этой цели подходит кермет. Стенка трубы 1 должна быть настолько тонкой, чтобы при касании грузом 4 внутренней стенки трубы 1 в точке, расположенной рядом с одним из наружных контактных винтов 8, электрическое сопротивление между грузом 4 и этим винтом 8 было много меньше, чем между грузом 4 и другими контактными винтами 8. В зависимости от материала, толщина трубы 1 может быть в диапазоне от десятых долей до нескольких миллиметров, для кермета, например, подходящей толщиной является 1 мм. Использование сравнительно высокоомного материала, такого, как кермет, исключит искрение при касании грузом 4 стенки трубы 1 в результате разряда емкости, образованной грузом 4 и стенкой – ток в этом случае будет ограничен сопротивлением контакта. В качестве жидкости 6, в которую помещен груз 4 представляется целесообразным использовать трансформаторное масло для повышения электрической прочности среды и создания демпфирования, препятствующего раскачиванию груза 4. Для варьирования веса и тянущей площади груз 4 можно сделать частично полым. Нить 5 может быть изготовлена из тонкой стали (подобно гитарной струне). Материал крышки 2 и дна 3 не принципиален, основные требования к нему – высокое электрическое сопротивление и высокая механическая прочность, например, фарфор, керамика, либо прочный диэлектрический материал типа лавсана. The
Устройство работает следующим образом. На исследуемом объекте, для которого определяется отклонение от вертикали, выделяют участок строго вертикальной плоскости 13. Выделенный участок 13 должен быть жестко связан с объектом. Используя кронштейн 12, устройство крепят к выделенному участку 13. Крепление должно допускать возможность микрокоррекции наклона кронштейна 12, например, с использованием микрометрических винтов или любым другим способом.The device works as follows. On the object under study, for which the deviation from the vertical is determined, a section of a strictly
Располагают стенки трубы 1 и нить 5 строго параллельно. Достичь этого можно с помощью самого же предлагаемого устройства: при строго вертикальном расположении нити 5 и стенок трубы 1 и при подаче напряжения между грузом 4 и стенками цилиндра 1 в силу симметрии возникающего электрического поля результирующая сила, действующая на груз 4, будет равна нулю и груз 4 не будет перемещаться к стенке трубы 1, следовательно, не будет происходить замыкание цепи и включение ни одного из сигнальных элементов 10.The walls of the
При отклонении плоскости, на которой закреплено устройство, от вертикали, нить 5 остаётся вертикальной, а стенки трубы 1 отклоняются, что приводит к нарушению параллельности стенок трубы 1 и боковой поверхности груза 4. В результате расстояние между внешней поверхности груза 4 и внутренней поверхностью трубы 1 уменьшается в направлении отклонения. Это приводит к возрастанию электростатической силы в этом направлении (направлении отклонения) и ее уменьшению в противоположном направлении. В результате груз 4 начнет движение под действием электростатических сил и коснется внутренней поверхности трубы 1 в направлении, соответствующем отклонению. В месте касания груза получают наибольшее значение выходного сигнала (упрощенно – наиболее ярко загорится/вспыхнет сигнальная лампочка).When the plane on which the device is fixed from the vertical, the
Приведем примеры конкретных размеров и других технических характеристик устройства, демонстрирующие его практическую работоспособность. Для этого примем массу груза 4 m=20 г. Тогда вес груза 4 Р в предположении, что выталкивающая сила Архимеда =0,1 Н:Here are examples of specific dimensions and other technical characteristics of the device, demonstrating its practical performance. For this, we take the mass of the load 4 m = 20 g. Then the weight of the load is 4 Р under the assumption that the buoyancy force of Archimedes = 0.1 N:
= 10 гс=0,1 Н, = 10 gf = 0.1 N,
где – масса груза 4 и его объем соответственно, а – плотность жидкости, в которой находится груз 4, -ускорение свободного падения. Where - the mass of
Отметим, что вес груза 4 и значение тянущей площади можно варьировать, делая груз 4 частично полым. Исходный зазор между грузом 4 и стенкой трубы 1 примем равным 0,3 мм. Остальные значения: диэлектрическая проницаемость масла =2,5; тянущая площадь = 10 см2, длина нити =10 см. При указанных значениях расчет по формуле (15) (обоснование этой формулы смотри ниже) дает значение напряжения, при котором устройство будет работоспособно U=24,7 В. Такое значение напряжения может быть легко реализовано даже от автономных источников питания.Note that the weight of the
При параметрах зазора d=0,3 мм, тянущей площади S=10 см2, длины нити l=10 см, электрического напряжения U=100 В, диэлектрической проницаемости масла =2,5, массы груза 4 m=20 г, устройство работоспособно при следующих углах отклонения: (рад)=от 10-8 до 10-3 или =0,1" до 3°.With the parameters of the gap d = 0.3 mm, the pulling area S = 10 cm 2 , the length of the thread l = 10 cm, the electric voltage U = 100 V, the dielectric constant of the oil = 2.5, cargo mass 4 m = 20 g, the device is operational at the following deflection angles: (rad) = from 10 -8 to 10 -3 or = 0.1 "to 3 °.
При небольшом наклоне дна нить становится не параллельна стенкам и образует с ними угол , величина которого настолько мала, что зафиксировать его и определить направление отклонения известными методами невозможно. Для улучшения качества измерений можно легко создать электрическое поле между цилиндрическим грузом 4 и стенками цилиндра 1: для этого достаточно, чтобы указанные элементы были электропроводящими или полупроводящими и изолированными друг от друга. Одним концом источник подключается к нити, крышка играет роль изолятора, отделяющего этот потенциал от остальных элементов конструкции. Одна клемма источника соединяется с нитью. Такой же потенциал будет иметь груз 4, поскольку соединен с нитью. Другой полюс источника соединен с контактными винтами через кольцевой электрод. При расположении груза 4 параллельно/соосно стенкам трубы 1 он не касается ее стенок и цепь при этом разомкнута, за счет того, что трансформаторное масло 6 является диэлектриком. При касании груза 4 стенки трубы 1 цепь замыкается и происходит растекание тока. В точке касания из-за того, что стенка тонкая и винты расположены практически на той же высоте, что и точка касания, сопротивление будет наименьшим и сигнальный элемент выдаст наибольшие показания именно в этой точке (фиг. 7).With a slight inclination of the bottom, the thread becomes not parallel to the walls and forms an angle with them , the value of which is so small that it is impossible to fix it and determine the direction of deviation by known methods. To improve the quality of measurements, you can easily create an electric field between the
Даже при очень небольшом значении расстояние между грузом 4 и стенкой трубы 1 в направлении отклонения уменьшится, а в противоположном направлении – увеличится. Это приведет к тому, что электростатическая сила притяжения в направлении отклонения возрастет, а в противоположном – уменьшится. Следовательно, груз 4 еще больше отклонится в направлении первоначального отклонения. Таким образом, образуется положительная обратная связь – угол отклонения будет увеличиваться именно в направлении исходного отклонения и продолжаться это будет до тех пор, пока угол не достигнет относительно большого и поэтому легко измеряемого значения , обусловленного балансом результирующей электростатической силы и возвращающей силы, возникающей при отклонении груза 4 на нити 5 от вертикали за счет гравитации. Следует отметить, что если приложенное электрическое напряжение достаточно велико, то возвращающая сила может и не скомпенсировать электростатические силы. В этом случае отклонение будет продолжаться до тех пор, пока груз 4 не коснется стенки трубы 1 в направлении отклонения. Фиксируя положение этой точки, очевидно, легко определить направление отклонения.Even with a very small value the distance between the
Рассмотрим количественно представленную ситуацию на основе упрощенной модели – углы будем считать малыми и будем использовать приближение плоского конденсатора.Let us consider the quantitatively presented situation on the basis of a simplified model - the angles will be considered small and we will use the flat capacitor approximation.
В действительности груз 4 и стенки при наклоне трубы 1 становятся не строго параллельны. Однако, поскольку углы отклонения малы, не будем учитывать это обстоятельство. Поэтому под указанными на фиг. 4 расстояниями подразумеваются их средние значения (для упрощения расчета).In reality, the
Электростатическая сила рассчитывается по формуле:Electrostatic force calculated by the formula:
, (1) , (one)
где – результирующее пондеромоторное давление, а – тянущая площадь. Where Is the resulting ponderomotive pressure, and - pulling area.
При этом пондеромоторное давление :In this case, the ponderomotive pressure :
, (2) , (2)
где – электрическая постоянная, – диэлектрическая проницаемость среды между грузом 4 и трубой 1, – напряженность электрического поля, которую можно оценить как:Where - electric constant, - dielectric constant of the medium between the
, (3) , (3)
где – расстояние (зазор) между электродами, находящимися под напряжением .Where - distance (gap) between energized electrodes ...
Учитывая, что на груз 4 действует результирующая разность электростатических сил, направленная вправо, где зазор меньше, и влево, где зазор при отклонении в рассматриваемом направлении становится больше, на основе (1) - (3) для результирующей электростатической силы можно записать:Considering that the
. (4) ... (four)
где - исходный зазор между грузом 4 и стенкой трубы 1, - значение отклонения в горизонтальной плоскости в результате приложения напряжения.Where - the initial gap between the
После упрощения выражение для электростатической силы приобретает вид:After simplification, the expression for the electrostatic force takes the form:
. (5) ... (five)
Будем считать, что рассчитанная сила направлена горизонтально (вправо на фиг. 4). В результате отклонения под ее действием возникает возвращающая сила , представляющая собой векторную сумму сил тяжести, действующей на груз 4, и сил Архимеда и натяжения нити. В этом случае:We will assume that the calculated force is directed horizontally (to the right in Fig. 4). As a result of the deflection under its action, a restoring force arises , which is the vector sum of the forces of gravity acting on the
, (6) , (6)
– вес груза 4, равный разности сил тяжести и Архимеда, действующих на него: - the weight of the
, (7) , (7)
где – масса груза 4 и его объем соответственно, а – плотность жидкости, в которой находится груз 4. В качестве такой жидкости представляется целесообразным использовать трансформаторное масло 6 для повышения электрической прочности среды и создания демпфирования, препятствующего раскачиванию груза 4. Where - the mass of
С учетом того, что Considering that
, (8) , (eight)
где – угол отклонения в результате приложения напряжения, - значение отклонения (возникают из-за того, что наклонилась плоскость, на которой расположено устройство), - значение отклонения в горизонтальной плоскости в результате приложения напряжения, – длина нити 5 вместе с грузом 4, выражение для компенсирующей силы примет вид:Where - the angle of deflection as a result of the application of stress, - the deviation value (arising from the fact that the plane on which the device is located tilted), - the value of the deviation in the horizontal plane as a result of the application of stress, - the length of the
. (10) ... (10)
В результате баланса сил (5) и (10) груз 4 отклоняется на заметный угол . Для определения величины отклонения необходимо приравнять (5) и (10) и решить относительно соответствующее уравнение. При этом возможны различные ситуации:As a result of the balance of forces (5) and (10), the
1. Приложенное напряжение невелико и, соответственно, электростатическая сила также невелика, фиг. 5. В этом случае имеются два корня - и соответственно для устойчивого и неустойчивого равновесия груза 4. Очевидно, в рассмотренном устройстве реализуется устойчивое состояние, т.к. в начале движения, при малых , электростатическая сила больше возвращающей.1. The applied voltage is low and therefore the electrostatic force is also small, FIG. 5. In this case, there are two roots - and respectively for stable and unstable balance of
2. Приложенное напряжение имеет некоторое критическое значение , соответствующее границе устойчивости груза 4, т.е. когда и практически совпадают и даже при небольшом случайном отклонении в сторону стенки трубы 1, произойдет необратимое движение груза 4 к этой стенке вплоть до ее касания. При этом сила больше, чем в предыдущем случае. Для расчета значения и соответствующей координаты необходимо, как видно из фиг. 5, равенство сил (5) и (10) дополнить равенством их производных:2. The applied voltage is of some critical importance corresponding to the stability boundary of the
. (11) ... (eleven)
3. Приложенное напряжение велико и возникающая электростатическая сила про любом больше возвращающей силы. В этом случае груз 4 неминуемо коснется стенки трубы 1. При этом его движение будет происходить в направлении первоначального отклонения. Как уже указывалось, этот вариант удобно использовать для определения направления отклонения, т.к. в рассматриваемом случае это отклонение, очевидно, максимально.3. The applied voltage is large and the resulting electrostatic force is more restoring force. In this case, the
4. Напряжение приложено при очень малом значении , т.е. рассмотрим случай , по сути и соответствующий очень малому, трудно измеряемому отклонению. Именно эта ситуация и является основным предметом рассмотрения в настоящей работе. В этом случае поведение сил в предлагаемом устройстве будет несколько отличаться от ситуации, показанной на фиг. 5. Ситуацию при иллюстрирует фиг. 6.4. Voltage applied at a very low value , i.e. consider the case , in fact, and corresponding to a very small, difficult to measure deviation. It is this situation that is the main subject of consideration in this work. In this case, the behavior of the forces in the proposed device will slightly differ from the situation shown in FIG. 5. The situation when illustrates FIG. 6.
Из фиг. 6 видно, что при совсем небольших электрических напряжениях типа движения груза 4 к стенке трубы 1 не начнется, т.к. возвращающая сила больше электростатической. Положение равновесия может быть достигнуто лишь искусственно путем приближения груза 4 к стенке трубы 1. Из фиг. 6 видно, что положение равновесия при этом будет неустойчивым – при случайном отклонении груза 4 возникающая результирующая сила будет направлена в сторону отклонения. Поэтому указанные значения напряжения не представляют практического интереса. При необходимости можно рассчитать рассмотренное положение равновесия , приравнивая (5) и (10) при . Соответствующие расчеты дают следующий результат:From FIG. 6 it can be seen that at very low electrical voltages of the type the movement of the
(12) (12)
На первый взгляд, полученная формула выглядит ошибочной – при увеличении прикладываемого напряжения, координата, соответствующая равновесному положению, уменьшается. Однако это несоответствие кажущееся, формула (12) полностью соответствует показанной на фиг. 6 ситуации для малых напряжений. Напомним также, что это положение само, только под действием напряжения, не достигается.At first glance, the resulting formula looks erroneous - with an increase in the applied voltage, the coordinate corresponding to the equilibrium position decreases. However, this discrepancy is apparent, formula (12) fully corresponds to that shown in Fig. 6 situations for low voltages. Let us also recall that this position itself, only under the influence of tension, is not achieved.
Для безотказной работы предлагаемого устройства, очевидно, представляют интерес ситуации, соответствующие напряжениям и , на фиг. 6. В этих случаях электростатические силы больше возвращающей, что обеспечит начало движения груза 4 вплоть до его соприкосновения со стенкой трубы 1. Наибольший интерес представляет пограничная ситуация – напряжение , где – критическое значение напряжения, аналогичное по физическому смыслу , рассмотренному выше в п.2, но относящееся к ситуации , т.е. очень малому отклонению, направление которого зафиксировать известными методами невозможно.For the trouble-free operation of the proposed device, obviously, of interest are situations corresponding to voltages and , in FIG. 6. In these cases, the electrostatic forces are greater than the restoring force, which will ensure the beginning of the movement of the
Для расчета значения заметим, что графики и в окрестности имеют общую касательную, поэтому производные от этих функций по должны быть равны в окрестности нуля. Производная от (5) после преобразований сводится к виду:To calculate the value note that the graphs and in the surrounding area have a common tangent line, therefore the derivatives of these functions with respect to should be equal around zero. The derivative of (5) after transformations is reduced to the form:
. (13) ... (13)
Производная от (10):Derived from (10):
. (14) ... (fourteen)
Приравнивая (13) и (14) при , и учитывая, что при этом , после преобразований получим для сравнительно простое выражение, связывающее его значение с параметрами предлагаемого устройства:Equating (13) and (14) at , and taking into account that at the same time , after transformations we get for a relatively simple expression connecting its value with the parameters of the proposed device:
. (15) ... (fifteen)
Оценим количественно рассчитанное значение, приняв к расчету реальные, легко реализуемые значения величин, входящих в (15). Для этого примем вес груза 4 = 10 гс=0,1 Н. Отметим, что вес груза 4 и значение тянущей площади можно варьировать, делая груз 4 частично полым. Исходный зазор примем равным 0,3 мм. Остальные значения: =2,5; = 10 см2; =10 см. При указанных значениях расчет по (15) дает значение 24,7 В. Такое значение напряжения может быть легко реализовано даже от автономных источников питания. Let us estimate the quantitatively calculated value, taking into account the real, easily realizable values of the quantities included in (15). For this, we take the weight of the
Отметим, что используя напряжения, большие (или в пределе равные), чем , даже не наблюдая самого отклонения, можно определить его направление, например, таким способом: трубу 1 изготовить из полупроводящего материала и с тонкими стенками. Тогда при касании внутренней части трубы 1 грузом 4 электрическое сопротивление между грузом 4 и внешней частью трубы 1 будет наименьшим именно в точке касания (из-за малой толщины стенки), что легко зафиксировать внешними измерениями. Кроме того, использование полупроводящей, достаточно высокоомной трубы 1 исключит искрение при касании грузом 4 стенки в результате разряда емкости, образованной грузом 4 и стенкой – ток в этом случае будет ограничен сопротивлением контакта. Соответствующая схема измерений показана на фиг. 7.Note that using voltages greater (or, in the limit, equal) than without even observing the deviation itself, you can determine its direction, for example, in this way: the
В простейшем варианте в качестве сигнальных элементов 10 можно использовать светодиоды. В приведенном на фиг. 7 примере ярче остальных загорится ближайший к месту касания светодиод, т.к. электрическое сопротивление между грузом 4 и стенкой трубы 1 будет наименьшим в точке касания, куда подведен внутренний электрод этого светодиода.In the simplest form, LEDs can be used as signaling
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020143198U RU203612U1 (en) | 2020-12-25 | 2020-12-25 | Device for determining the direction of small deviations from the vertical |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020143198U RU203612U1 (en) | 2020-12-25 | 2020-12-25 | Device for determining the direction of small deviations from the vertical |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU203612U1 true RU203612U1 (en) | 2021-04-14 |
Family
ID=75521427
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020143198U RU203612U1 (en) | 2020-12-25 | 2020-12-25 | Device for determining the direction of small deviations from the vertical |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU203612U1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2055314C1 (en) * | 1992-09-29 | 1996-02-27 | Товарищество с ограниченной ответственностью "ДиСиДи" | Device for measurement of magnitude and direction of angle of inclination of object |
| RU2156957C2 (en) * | 1998-01-12 | 2000-09-27 | Оренбургский государственный аграрный университет | Indicator of roll angle |
| US6880257B1 (en) * | 2004-01-08 | 2005-04-19 | Asia Optical Co., Inc. | Signal sampling circuit of a tilt sensor |
| RU2401426C1 (en) * | 2009-03-17 | 2010-10-10 | Сергей Вениаминович Пасечник | Inclinometre |
-
2020
- 2020-12-25 RU RU2020143198U patent/RU203612U1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2055314C1 (en) * | 1992-09-29 | 1996-02-27 | Товарищество с ограниченной ответственностью "ДиСиДи" | Device for measurement of magnitude and direction of angle of inclination of object |
| RU2156957C2 (en) * | 1998-01-12 | 2000-09-27 | Оренбургский государственный аграрный университет | Indicator of roll angle |
| US6880257B1 (en) * | 2004-01-08 | 2005-04-19 | Asia Optical Co., Inc. | Signal sampling circuit of a tilt sensor |
| RU2401426C1 (en) * | 2009-03-17 | 2010-10-10 | Сергей Вениаминович Пасечник | Inclinometre |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Olaru et al. | Inductive tilt sensor with magnets and magnetic fluid | |
| US10584966B2 (en) | Precision inclinometer with parallel dipole line trap system | |
| RU201631U1 (en) | Device for determining the direction of small deviations | |
| RU203612U1 (en) | Device for determining the direction of small deviations from the vertical | |
| RU2172967C1 (en) | Gravitational variometer | |
| US9291742B2 (en) | Double pendulum gravimeter and method of measuring gravity using the same | |
| CN107329184A (en) | Axial symmetry elastic system and gravimeter | |
| Meier et al. | Hydrostatic levelling systems: Measuring at the system limits | |
| GB2159628A (en) | Capacitive inclination and levelness-measuring instrument | |
| NO162489B (en) | PROGRESSIONAL COLLECTION OF GRAVITION RESEARCH CELLS IN BORROW. | |
| CN206321247U (en) | Electromagnetic levitation type bridge pier top deviation measurement device | |
| US2613536A (en) | Gravity meter | |
| NO891106L (en) | ACCELEROMETER. | |
| CN207051509U (en) | Axial symmetry elastic system and gravimeter | |
| RU2764961C1 (en) | Method for determining the angle of inclination of an object | |
| US2746162A (en) | Apparatus for determining the deviation of a borehole from the vertical axis | |
| RU2055314C1 (en) | Device for measurement of magnitude and direction of angle of inclination of object | |
| RU2843960C1 (en) | Device for measuring vertical gravitational gradient | |
| US7222433B2 (en) | Electromagnetic inclinometer | |
| CN211042076U (en) | Vertical deflection measuring device for bridge static load test | |
| RU209332U1 (en) | Pendulum sensing element | |
| RU2075729C1 (en) | Method of determination of deviation of object from vertical position | |
| SU851094A1 (en) | Device for determination of deviation from the vertical | |
| CN2618142Y (en) | Corner angle sensor | |
| Taimazov | Stringed vertical gravimetric gradient meter |