[go: up one dir, main page]

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 PDF

Info

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
Application number
RU2020143198U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Сергеевич Пщелко
Ольга Сергеевна Царёва
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ")
Priority to RU2020143198U priority Critical patent/RU203612U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU203612U1 publication Critical patent/RU203612U1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C9/00Measuring inclination, e.g. by clinometers, by levels
    • G01C9/02Details
    • G01C9/06Electric 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 (G01C 9/00, G01C 9/12, 2000). The invention contains a glass with a lid, in which a ball bearing is installed with two rods rigidly fixed to it, the lower of which is connected to a pendulum located inside a glass filled with a damping liquid, and the upper one closes the slip rings to ground at certain angles of the machine roll, two adjusting bolts , each of which is connected to one of the slip rings so that when screwing them in or out, an independent movement of the slip rings (respectively up or down) along the axis of the signaling device is provided. The disadvantage of the device is its low sensitivity at small tilt angles.

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:

Figure 00000001
– источник напряжения,
Figure 00000002
– исходный угол отклонения,
Figure 00000003
- значение отклонения (возникают из-за того, что наклонилась плоскость на которой расположено устройство),
Figure 00000004
– угол отклонения в результате приложения напряжения,
Figure 00000005
- 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:
Figure 00000001
- voltage source,
Figure 00000002
- initial deflection angle,
Figure 00000003
- the deviation value (arising from the fact that the plane on which the device is located tilted),
Figure 00000004
- the angle of deflection as a result of the application of stress,
Figure 00000005
- 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.

Figure 00000006
– тянущая площадь,
Figure 00000007
– 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 load 4 in the frame of reference associated with the walls of the pipe-cylinder 1. Dotted line - the initial position with a strictly horizontal arrangement of the bottom of the pipe 3 1. Dotted line - equilibrium position when electric voltage is applied between load 4 and pipe 1.
Figure 00000006
- pulling area,
Figure 00000007
- the distance between the load 4 and the walls of the vessel 1. Figure in the frame of reference associated with the pipe.

На фиг. 5 - электростатические

Figure 00000008
и возвращающая
Figure 00000009
силы при
Figure 00000010
в зависимости от смещения
Figure 00000011
груза 4 от исходного положения. Соответствующие электрические напряжения
Figure 00000012
.FIG. 5 - electrostatic
Figure 00000008
and returning
Figure 00000009
forces at
Figure 00000010
depending on displacement
Figure 00000011
load
4 from the starting position. Corresponding electrical voltages
Figure 00000012
...

На фиг. 6 - электростатические

Figure 00000008
и возвращающая
Figure 00000009
силы
Figure 00000013
в зависимости от смещения
Figure 00000011
груза 4 от исходного положения. Соответствующие электрические напряжения
Figure 00000014
.FIG. 6 - electrostatic
Figure 00000008
and returning
Figure 00000009
strength
Figure 00000013
depending on displacement
Figure 00000011
load
4 from the starting position. Corresponding electrical voltages
Figure 00000014
...

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 cylindrical pipe 1 with a dielectric cover 2 and a dielectric bottom 3 strictly perpendicular to the walls, hermetically seated on a pipe 1, in which a cylindrical load 4 is placed on an electrically conductive thread 5. In the absence of a tilt, the pipe is cylindrical 1 and the load of cylindrical shape 4 must be coaxial (the load is located symmetrically relative to the walls), the walls of pipe 1 must be parallel to the walls of the load 4. Pipe 1 is filled with transformer oil 6.

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 dielectric ring 7 with screws 8 is tightly put on the pipe 1. The ring 7 should be positioned in height so that the point of contact between the load 4 and the pipe 1 is as close as possible to the screws 8.

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 pipe 1, and the other end is connected with the output wires 9 by means of a spring-loaded contact. From the screws 8, contact wires 9 extend to the signal elements 10, which are connected to the annular outer electrode 11. Annular outer electrode 11 and the electrically conductive thread 5 are connected to a constant voltage source U.

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 dielectric bottom 3 of the device is connected to the horizontal plane of the bracket 12, designed to fix the device on the vertical plane of the object 13, the position of which is to be controlled, so that the outer plane of the bottom 3 is strictly perpendicular to the vertical plane of the bracket 12 adjacent to the vertical plane of the object 13.

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 tube 1 can be made of a semi-conductive material with thin walls; cermet is best suited for this purpose. The wall of the pipe 1 should be so thin that when the load 4 touches the inner wall of the pipe 1 at a point located next to one of the outer contact screws 8, the electrical resistance between the weight 4 and this screw 8 is much less than between the weight 4 and other contact screws 8. Depending on the material, the thickness of the pipe 1 can be in the range from tenths to several millimeters, for cermet, for example, a suitable thickness is 1 mm. The use of a relatively high-resistance material, such as cermet, will eliminate sparking when the load 4 touches the wall of the pipe 1 as a result of the discharge of the container formed by the load 4 and the wall - the current in this case will be limited by the contact resistance. It seems expedient to use transformer oil as liquid 6 in which the load 4 is placed to increase the dielectric strength of the medium and create damping that prevents the load from swinging. To vary the weight and pulling area, the load 4 can be made partially hollow. Thread 5 can be made of thin steel (like a guitar string). The material of the cover 2 and bottom 3 is not fundamental, the main requirements for it are high electrical resistance and high mechanical strength, for example, porcelain, ceramics, or a strong dielectric material such as lavsan.

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 vertical plane 13 is allocated. The selected section 13 must be rigidly connected to the object. Using the bracket 12, the device is attached to the dedicated area 13. The attachment must allow micro-correction of the inclination of the bracket 12, for example, using micrometric screws or in any other way.

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 pipe 1 and thread 5 are placed strictly parallel. This can be achieved with the help of the proposed device itself: with a strictly vertical arrangement of the thread 5 and the walls of the pipe 1 and when voltage is applied between the load 4 and the walls of the cylinder 1, due to the symmetry of the arising electric field, the resulting force acting on the load 4 will be equal to zero and the load 4 will not move to the wall of the pipe 1, therefore, the circuit will not close and none of the signaling elements 10 will turn on.

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 thread 5 remains vertical, and the walls of the pipe 1 deviate, which leads to a violation of the parallelism of the walls of the pipe 1 and the lateral surface of the load 4. As a result, the distance between the outer surface of the load 4 and the inner surface of the pipe 1 decreases in the direction of deflection. This leads to an increase in the electrostatic force in this direction (direction of deflection) and its decrease in the opposite direction. As a result, the load 4 will begin to move under the action of electrostatic forces and will touch the inner surface of the pipe 1 in the direction corresponding to the deflection. At the point of contact with the load, the highest value of the output signal is obtained (simplified - the signal lamp will light up / flash the most brightly).

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

Figure 00000015
=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
Figure 00000015
= 0.1 N:

Figure 00000016
= 10 гс=0,1 Н,
Figure 00000016
= 10 gf = 0.1 N,

где

Figure 00000017
Figure 00000018
– масса груза 4 и его объем соответственно, а
Figure 00000019
– плотность жидкости, в которой находится груз 4,
Figure 00000020
-ускорение свободного падения. Where
Figure 00000017
Figure 00000018
- the mass of cargo 4 and its volume, respectively, and
Figure 00000019
Is the density of the liquid in which the load 4 is located,
Figure 00000020
-acceleration of gravity.

Отметим, что вес груза 4 и значение тянущей площади можно варьировать, делая груз 4 частично полым. Исходный зазор

Figure 00000021
между грузом 4 и стенкой трубы 1 примем равным 0,3 мм. Остальные значения: диэлектрическая проницаемость масла
Figure 00000022
=2,5; тянущая площадь
Figure 00000023
= 10 см2, длина нити
Figure 00000024
=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 weight 4 and the value of the pulling area can be varied, making the weight 4 partially hollow. Initial clearance
Figure 00000021
between the weight 4 and the wall of the pipe 1 we will take equal to 0.3 mm. Other values: oil dielectric constant
Figure 00000022
= 2.5; pulling area
Figure 00000023
= 10 cm 2 , thread length
Figure 00000024
= 10 cm.With the indicated values, the calculation according to the formula (15) (for the justification of this formula, see below) gives the voltage value at which the device will be operational U = 24.7 V. Such a voltage value can be easily realized even from autonomous power sources.

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

Figure 00000025
=2,5, массы груза 4 m=20 г, устройство работоспособно при следующих углах отклонения:
Figure 00000026
(рад)=от 10-8 до 10-3 или
Figure 00000026
=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
Figure 00000025
= 2.5, cargo mass 4 m = 20 g, the device is operational at the following deflection angles:
Figure 00000026
(rad) = from 10 -8 to 10 -3 or
Figure 00000026
= 0.1 "to 3 °.

При небольшом наклоне дна нить становится не параллельна стенкам и образует с ними угол

Figure 00000002
, 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
Figure 00000002
, 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 cylindrical weight 4 and the walls of the cylinder 1: for this it is sufficient that these elements are electrically conductive or semi-conductive and isolated from each other. At one end, the source is connected to the thread, the cover acts as an insulator separating this potential from the rest of the structure. One terminal of the source is connected to the filament. Weight 4 will have the same potential, since it is connected to the thread. The other pole of the source is connected to the contact screws via a ring electrode. When the load 4 is parallel / coaxial to the walls of the pipe 1, it does not touch its walls and the circuit is open at the same time, due to the fact that the transformer oil 6 is a dielectric. When the load 4 touches the wall of the pipe 1, the circuit closes and the current spreads. At the point of contact, due to the fact that the wall is thin and the screws are located almost at the same height as the point of contact, the resistance will be the smallest and the signal element will give the greatest readings exactly at this point (Fig. 7).

Даже при очень небольшом значении

Figure 00000027
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
Figure 00000028
, 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
Figure 00000027
the distance between the weight 4 and the wall of the pipe 1 will decrease in the direction of deflection, 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 weight 4 will deviate 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 measurable value
Figure 00000028
due to the balance of the resulting electrostatic force and the restoring force arising from the deflection of the load 4 on the thread 5 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, the deflection will continue until the weight 4 touches the pipe wall 1 in the direction of deflection. By fixing the position of this point, it is obviously easy to determine the direction of the deviation.

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 load 4 and the walls when the pipe 1 is tilted become not strictly parallel. However, since the deflection angles are small, we will not take this circumstance into account. Therefore, below the values indicated in FIG. 4 distances mean their average values (to simplify the calculation).

Электростатическая сила

Figure 00000029
рассчитывается по формуле:Electrostatic force
Figure 00000029
calculated by the formula:

Figure 00000030
, (1)
Figure 00000030
, (one)

где

Figure 00000031
– результирующее пондеромоторное давление, а
Figure 00000032
– тянущая площадь. Where
Figure 00000031
Is the resulting ponderomotive pressure, and
Figure 00000032
- pulling area.

При этом пондеромоторное давление

Figure 00000033
:In this case, the ponderomotive pressure
Figure 00000033
:

Figure 00000034
, (2)
Figure 00000034
, (2)

где

Figure 00000035
– электрическая постоянная,
Figure 00000022
– диэлектрическая проницаемость среды между грузом 4 и трубой 1,
Figure 00000036
– напряженность электрического поля, которую можно оценить как:Where
Figure 00000035
- electric constant,
Figure 00000022
- dielectric constant of the medium between the load 4 and the pipe 1,
Figure 00000036
- electric field strength, which can be estimated as:

Figure 00000037
, (3)
Figure 00000037
, (3)

где

Figure 00000038
– расстояние (зазор) между электродами, находящимися под напряжением
Figure 00000039
.Where
Figure 00000038
- distance (gap) between energized electrodes
Figure 00000039
...

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

Figure 00000029
можно записать:Considering that the load 4 is affected by the resulting difference of electrostatic forces directed to the right, where the gap is smaller, and to the left, where the gap becomes larger when deflected in the considered direction, based on (1) - (3) for the resulting electrostatic force
Figure 00000029
you can write:

Figure 00000040
. (4)
Figure 00000040
... (four)

где

Figure 00000021
- исходный зазор между грузом 4 и стенкой трубы 1,
Figure 00000005
- значение отклонения в горизонтальной плоскости в результате приложения напряжения.Where
Figure 00000021
- the initial gap between the weight 4 and the pipe wall 1,
Figure 00000005
- the value of the deviation in the horizontal plane as a result of the application of stress.

После упрощения выражение для электростатической силы приобретает вид:After simplification, the expression for the electrostatic force takes the form:

Figure 00000041
. (5)
Figure 00000041
... (five)

Будем считать, что рассчитанная сила направлена горизонтально (вправо на фиг. 4). В результате отклонения под ее действием возникает возвращающая сила

Figure 00000042
, 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
Figure 00000042
, which is the vector sum of the forces of gravity acting on the load 4, and the forces of Archimedes and the tension of the thread. In this case:

Figure 00000043
, (6)
Figure 00000043
, (6)

Figure 00000044
– вес груза 4, равный разности сил тяжести и Архимеда, действующих на него:
Figure 00000044
- the weight of the load 4, equal to the difference between the forces of gravity and Archimedes acting on it:

Figure 00000016
, (7)
Figure 00000016
, (7)

где

Figure 00000017
Figure 00000018
– масса груза 4 и его объем соответственно, а
Figure 00000019
– 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
Figure 00000017
Figure 00000018
- the mass of cargo 4 and its volume, respectively, and
Figure 00000019
- the density of the fluid in which the load is located 4. It seems appropriate to use transformer oil 6 as such a fluid to increase the electrical strength of the medium and create damping that prevents the load from swinging 4.

С учетом того, что Considering that

Figure 00000045
, (8)
Figure 00000045
, (eight)

где

Figure 00000004
– угол отклонения в результате приложения напряжения,
Figure 00000003
- значение отклонения (возникают из-за того, что наклонилась плоскость, на которой расположено устройство),
Figure 00000005
- значение отклонения в горизонтальной плоскости в результате приложения напряжения,
Figure 00000024
– длина нити 5 вместе с грузом 4, выражение для компенсирующей силы примет вид:Where
Figure 00000004
- the angle of deflection as a result of the application of stress,
Figure 00000003
- the deviation value (arising from the fact that the plane on which the device is located tilted),
Figure 00000005
- the value of the deviation in the horizontal plane as a result of the application of stress,
Figure 00000024
- the length of the thread 5 together with the weight 4, the expression for the compensating force will take the form:

Figure 00000046
. (10)
Figure 00000046
... (10)

В результате баланса сил (5) и (10) груз 4 отклоняется на заметный угол

Figure 00000047
. Для определения величины отклонения
Figure 00000048
необходимо приравнять (5) и (10) и решить относительно
Figure 00000048
соответствующее уравнение. При этом возможны различные ситуации:As a result of the balance of forces (5) and (10), the load 4 is deflected at a noticeable angle
Figure 00000047
... To determine the magnitude of the deviation
Figure 00000048
it is necessary to equate (5) and (10) and decide on
Figure 00000048
corresponding equation. In this case, various situations are possible:

1. Приложенное напряжение невелико и, соответственно, электростатическая сила

Figure 00000049
также невелика, фиг. 5. В этом случае имеются два корня -
Figure 00000050
и
Figure 00000051
соответственно для устойчивого и неустойчивого равновесия груза 4. Очевидно, в рассмотренном устройстве реализуется устойчивое состояние, т.к. в начале движения, при малых
Figure 00000048
, электростатическая сила больше возвращающей.1. The applied voltage is low and therefore the electrostatic force
Figure 00000049
is also small, FIG. 5. In this case, there are two roots -
Figure 00000050
and
Figure 00000051
respectively for stable and unstable balance of load 4. Obviously, the considered device implements a stable state, since at the beginning of the movement, at small
Figure 00000048
, the electrostatic force is greater than the restoring force.

2. Приложенное напряжение имеет некоторое критическое значение

Figure 00000052
, соответствующее границе устойчивости груза 4, т.е. когда
Figure 00000050
и
Figure 00000051
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
Figure 00000053
больше, чем в предыдущем случае. Для расчета значения
Figure 00000052
и соответствующей координаты
Figure 00000054
необходимо, как видно из фиг. 5, равенство сил (5) и (10) дополнить равенством их производных:2. The applied voltage is of some critical importance
Figure 00000052
corresponding to the stability boundary of the load 4, i.e. when
Figure 00000050
and
Figure 00000051
practically coincide, and even with a small random deviation towards the wall of the pipe 1, an irreversible movement of the load 4 to this wall will occur until it touches. At the same time, the force
Figure 00000053
more than in the previous case. To calculate the value
Figure 00000052
and the corresponding coordinate
Figure 00000054
it is necessary, as can be seen from FIG. 5, the equality of forces (5) and (10) is supplemented by the equality of their derivatives:

Figure 00000055
. (11)
Figure 00000055
... (eleven)

3. Приложенное напряжение велико и возникающая электростатическая сила про любом

Figure 00000048
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
Figure 00000048
more restoring force. In this case, the load 4 will inevitably touch the wall of the pipe 1. In this case, its movement will occur in the direction of the initial deflection. As already mentioned, this option is convenient to use to determine the direction of deviation, since in the case under consideration, this deviation is obviously maximum.

4. Напряжение приложено при очень малом значении

Figure 00000056
, т.е. рассмотрим случай
Figure 00000013
, 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
Figure 00000013
иллюстрирует фиг. 6.4. Voltage applied at a very low value
Figure 00000056
, i.e. consider the case
Figure 00000013
, 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
Figure 00000013
illustrates FIG. 6.

Из фиг. 6 видно, что при совсем небольших электрических напряжениях типа

Figure 00000057
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
Figure 00000051
, приравнивая (5) и (10) при
Figure 00000013
. Соответствующие расчеты дают следующий результат:From FIG. 6 it can be seen that at very low electrical voltages of the type
Figure 00000057
the movement of the load 4 to the wall of the pipe 1 will not start, because the restoring force is greater than electrostatic. The equilibrium position can only be achieved artificially by bringing the weight 4 closer to the wall of the pipe 1. From FIG. 6 it can be seen that the equilibrium position in this case will be unstable - with a random deviation of the load 4, the resulting resulting force will be directed towards the deviation. Therefore, the indicated voltage values are of no practical interest. If necessary, the considered equilibrium position can be calculated
Figure 00000051
, equating (5) and (10) at
Figure 00000013
... The corresponding calculations give the following result:

Figure 00000058
(12)
Figure 00000058
(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

Figure 00000059
и
Figure 00000060
, 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
Figure 00000061
, где
Figure 00000062
– критическое значение напряжения, аналогичное по физическому смыслу
Figure 00000052
, рассмотренному выше в п.2, но относящееся к ситуации
Figure 00000013
, 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
Figure 00000059
and
Figure 00000060
, 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 load 4 up to its contact with the pipe wall 1. Of greatest interest is the boundary situation - voltage
Figure 00000061
where
Figure 00000062
- the critical voltage value, similar in physical meaning
Figure 00000052
discussed above in Section 2, but related to the situation
Figure 00000013
, i.e. a very small deviation, the direction of which cannot be fixed by known methods.

Для расчета значения

Figure 00000062
заметим, что графики
Figure 00000053
и
Figure 00000042
в окрестности
Figure 00000063
имеют общую касательную, поэтому производные от этих функций по
Figure 00000048
должны быть равны в окрестности нуля. Производная от (5) после преобразований сводится к виду:To calculate the value
Figure 00000062
note that the graphs
Figure 00000053
and
Figure 00000042
in the surrounding area
Figure 00000063
have a common tangent line, therefore the derivatives of these functions with respect to
Figure 00000048
should be equal around zero. The derivative of (5) after transformations is reduced to the form:

Figure 00000064
. (13)
Figure 00000064
... (13)

Производная от (10):Derived from (10):

Figure 00000065
. (14)
Figure 00000065
... (fourteen)

Приравнивая (13) и (14) при

Figure 00000063
, и учитывая, что при этом
Figure 00000066
, после преобразований получим для
Figure 00000062
сравнительно простое выражение, связывающее его значение с параметрами предлагаемого устройства:Equating (13) and (14) at
Figure 00000063
, and taking into account that at the same time
Figure 00000066
, after transformations we get for
Figure 00000062
a relatively simple expression connecting its value with the parameters of the proposed device:

Figure 00000067
. (15)
Figure 00000067
... (fifteen)

Оценим количественно рассчитанное значение, приняв к расчету реальные, легко реализуемые значения величин, входящих в (15). Для этого примем вес груза 4

Figure 00000068
= 10 гс=0,1 Н. Отметим, что вес груза 4 и значение тянущей площади можно варьировать, делая груз 4 частично полым. Исходный зазор
Figure 00000021
примем равным 0,3 мм. Остальные значения:
Figure 00000022
=2,5;
Figure 00000023
= 10 см2;
Figure 00000024
=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 load 4
Figure 00000068
= 10 gf = 0.1 N. Note that the weight of weight 4 and the value of the pulling area can be varied, making the weight 4 partially hollow. Initial clearance
Figure 00000021
we will take it equal to 0.3 mm. Other values:
Figure 00000022
= 2.5;
Figure 00000023
= 10 cm 2 ;
Figure 00000024
= 10 cm. At the indicated values, the calculation according to (15) gives a value of 24.7 V. Such a voltage value can be easily realized even from autonomous power sources.

Отметим, что используя напряжения, большие (или в пределе равные), чем

Figure 00000062
, 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
Figure 00000062
without even observing the deviation itself, you can determine its direction, for example, in this way: the pipe 1 is made of a semiconducting material and with thin walls. Then, when the inside of the pipe 1 touches the load 4, the electrical resistance between the load 4 and the outside of the pipe 1 will be the smallest exactly at the point of contact (due to the small wall thickness), which can be easily fixed by external measurements. In addition, the use of a semiconducting, sufficiently high-resistance pipe 1 will eliminate sparking when the load 4 touches the wall as a result of the discharge of the capacitance formed by the load 4 and the wall - the current in this case will be limited by the contact resistance. The corresponding measurement setup is shown in FIG. 7.

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 elements 10. In the example shown in FIG. In the example 7, the LED closest to the touch point will light up brighter than the others, because the electrical resistance between the weight 4 and the wall of the pipe 1 will be the smallest at the point of contact, where the inner electrode of this LED is connected.

Claims (2)

1. Устройство для определения направления малых отклонений различных объектов от вертикали, состоящее 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. A device for determining the direction of small deviations of various objects from the vertical, consisting 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 such a way 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 fixed in the lid threads 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; 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. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что полупроводящая цилиндрическая труба изготовлена из кермета толщиной 1 мм.2. The device according to claim 1, characterized in that the semiconducting cylindrical pipe is made of cermet with a thickness of 1 mm.
RU2020143198U 2020-12-25 2020-12-25 Device for determining the direction of small deviations from the vertical RU203612U1 (en)

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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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