RU2475703C1 - Inclination angle sensor - Google Patents

Inclination angle sensor Download PDF

Info

Publication number
RU2475703C1
RU2475703C1 RU2011149169/28A RU2011149169A RU2475703C1 RU 2475703 C1 RU2475703 C1 RU 2475703C1 RU 2011149169/28 A RU2011149169/28 A RU 2011149169/28A RU 2011149169 A RU2011149169 A RU 2011149169A RU 2475703 C1 RU2475703 C1 RU 2475703C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
housing
electrodes
covers
plates
electronic circuit
Prior art date
Application number
RU2011149169/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валентина Ивановна Бесова
Сергей Изосимович Викторов
Андрей Геннадьевич Старинов
Александр Петрович Колесников
Original Assignee
Закрытое акционерное общество "Энергонефтемаш"
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 Закрытое акционерное общество "Энергонефтемаш" filed Critical Закрытое акционерное общество "Энергонефтемаш"
Priority to RU2011149169/28A priority Critical patent/RU2475703C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2475703C1 publication Critical patent/RU2475703C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: measurement equipment.
SUBSTANCE: inclination angle sensor includes a cylindrical chamber partially filled with non-conductive liquid and formed with inner cylindrical surface of the housing and two flat parallel plates with electrodes. Inner cylindrical surface of the housing has stepped shape and smaller diameter in the middle part of the housing and larger diameter in the sections adjacent to conditional plates of the cylinder bases. Plates with electrodes are installed on the housing projections formed with difference in its diameter and pressed to them by means of the cover plates closing the housing on the side of its bases. Electrodes are arranged on outer surface of plates relative to the chamber and connected to an electronic circuit arranged in the above cover plates on both sides of cylindrical chamber. Electronic circuit includes converter of output signals and microcontroller related to it and performing the functions of digital processing device of output information and shaper of input pulses. At that, converter of output signals includes amplifier, filter cartridge and analogue-to-digital converter.
EFFECT: improvement of compactness and reliability of the device; provision of high measurement accuracy.
5 cl, 8 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, конкретнее к устройствам для определения пространственного положения объектов относительно горизонта. Устройство может быть использовано в геодезии, строительстве, горном деле, в нефтяной и газовой промышленности при бурении скважин, в системах контроля и управления различными подвижными объектами, в приборах охранной сигнализации и сейсмоакустического контроля.The invention relates to instrumentation, and more particularly to devices for determining the spatial position of objects relative to the horizon. The device can be used in geodesy, construction, mining, in the oil and gas industry when drilling wells, in monitoring and control systems for various moving objects, in burglar alarm and seismic monitoring devices.

Уровень техникиState of the art

Известен датчик угла отклонения объекта от горизонтального положения (см. патент на изобретение RU 2215992, МПК G01C 9/20, G01C 9/06, опубл. 10.11.2003 г), содержащий герметичную камеру, наполовину заполненную диэлектрической жидкостью, сформированную втулкой и двумя электродами в виде пластин, внутри камеры закреплены еще два выходных электрода. Упомянутый датчик представляет собой сенсор, чувствительный элемент, для обработки выходных сигналов которого требуется использование дополнительных преобразующих и счетно-вычислительных устройств.A known sensor angle of deviation of the object from a horizontal position (see patent for invention RU 2215992, IPC G01C 9/20, G01C 9/06, publ. 10.11.2003), containing a sealed chamber, half filled with dielectric fluid, formed by a sleeve and two electrodes in the form of plates, two more output electrodes are fixed inside the chamber. The said sensor is a sensor, a sensitive element, for the processing of the output signals of which the use of additional converting and computing devices is required.

Известно устройство цифрового измерителя угла наклона (см. патент на полезную модель №50298, МПК G01C 9/06, опубл. 27.12.2005 г), который содержит датчик угла наклона и корпус, внутри которого размещена электронная схема преобразования выходного сигнала датчика, включающая микроконтроллер с возможностью управления режимами измерений посредством клавиатуры, размещенной на внешней поверхности корпуса вместе с жидкокристаллическим индикатором. Датчик размещен вне корпуса с электронной схемой и связан с последним посредством электрического кабеля.A device is known for a digital tilt angle meter (see Utility Model Patent No. 50298, IPC G01C 9/06, published December 27, 2005), which comprises a tilt angle sensor and a housing inside which an electronic circuit for converting the sensor output signal including a microcontroller is located with the ability to control the measurement modes using the keyboard located on the outer surface of the housing along with a liquid crystal display. The sensor is located outside the housing with an electronic circuit and is connected to the latter via an electric cable.

Известен емкостной датчик наклона (см. патент ЕР 0492330, МПК G01C 9/20, G01C 9/06, опубл. 01.07.1992 г), содержащий герметичный цилиндрический резервуар, наполовину заполненный жидкостью с высокой диэлектрической проницаемостью, по торцам которого размещены пластины с электродами, образующими, в совокупности с резервуаром, чувствительный элемент датчика. Элементы электронной схемы обработки сигналов размещены на этих же пластинах, вне области расположения электродов, за пределами резервуара. Устройство не отличается компактностью, имеет плохую помехозащищенность и недостаточную устойчивость к различного рода воздействиям.Known capacitive tilt sensor (see patent EP 0492330, IPC G01C 9/20, G01C 9/06, publ. 07/01/1992 g) containing a sealed cylindrical tank, half filled with liquid with high dielectric constant, at the ends of which are placed plates with electrodes forming, in conjunction with the reservoir, the sensor element. Elements of the electronic signal processing circuitry are located on the same plates, outside the electrode area, outside the reservoir. The device is not compact, has poor noise immunity and insufficient resistance to various kinds of influences.

В качестве наиболее близкого по наличию сходных конструктивных признаков аналога для заявляемого технического решения принято устройство для измерения угла наклона (уклономер), раскрытое в патенте США 4528760, МПК G01C 9/06, опубл. 16.07.1985 г. Согласно упомянутому патенту устройство для измерения угла наклона содержит чувствительный элемент в виде частично заполненной жидкостью цилиндрической камеры, образованной внутренней цилиндрической поверхностью корпуса барабанного типа и двумя круглыми плоскопараллельными пластинами с электродами на внешней, относительно герметичной камеры поверхности. Электроды соединены с электронной схемой устройства, включающей преобразователь выходных сигналов, связанный с устройством цифровой обработки информации.As the closest in the presence of similar structural features analogue to the claimed technical solution, a device for measuring the angle of inclination (inclinometer), disclosed in US patent 4528760, IPC G01C 9/06, publ. 07/16/1985 According to the aforementioned patent, the device for measuring the angle of inclination contains a sensing element in the form of a cylindrical chamber partially filled with liquid, formed by the inner cylindrical surface of the drum-type housing and two round plane-parallel plates with electrodes on the outer relative to the sealed chamber surface. The electrodes are connected to an electronic circuit of the device, including an output signal converter connected to a digital information processing device.

Чувствительный элемент и компоненты электронной схемы согласно одному исполнению устройства могут быть размещены в общем кожухе-корпусе. Согласно другому исполнению часть компонентов электронной схемы может быть вынесена в главный блок управления.The sensing element and components of the electronic circuit according to one embodiment of the device can be placed in a common casing-case. According to another embodiment, part of the components of the electronic circuit can be transferred to the main control unit.

К недостаткам известного устройства следует отнести большие габариты, недостаточные помехозащищенность и надежность работы датчика. Кроме того, используемая схема подключения электродов и обработки снимаемых сигналов позволяет лишь отслеживать величину угла наклона и, сравнивая ее с предельными значениями, выдавать предупредительный сигнал при превышении последних.The disadvantages of the known device include large dimensions, insufficient noise immunity and reliability of the sensor. In addition, the used circuit for connecting the electrodes and processing the recorded signals allows you to only monitor the value of the angle of inclination and, comparing it with the limit values, issue an alert signal when the latter are exceeded.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание интеллектуального датчика угла наклона повышенной надежности и компактности, обеспечивающего высокую точность измерений.The task to which the invention is directed is the creation of an intelligent tilt angle sensor of increased reliability and compactness, providing high measurement accuracy.

Поставленная задача решена за счет того, что в датчике угла наклона, содержащем цилиндрическую камеру, частично заполненную неэлектропроводной жидкостью, образованную внутренней цилиндрической поверхностью корпуса и двумя плоскопараллельными пластинами с электродами на внешней, относительно камеры, поверхности, соединенными с электронной схемой, включающей преобразователь выходных сигналов, связанный с устройством цифровой обработки информации, согласно заявляемому изобретению внутренняя цилиндрическая поверхность корпуса выполнена ступенчатой формы, с меньшим диаметром в срединной части корпуса и большим диаметром - на участках, примыкающих к условным плоскостям оснований цилиндра, пластины с электродами установлены на уступах корпуса, образованных перепадом его диаметра, и поджаты к ним посредством крышек, закрывающих корпус со стороны оснований, в крышках сформированы посадочные поверхности для установки печатных плат с элементами электронной схемы, включающей микроконтроллер, выполняющий функции устройства цифровой обработки информации и выполненный с возможностью формирования входных импульсов.The problem is solved due to the fact that in the tilt sensor containing a cylindrical chamber partially filled with a non-conductive fluid, formed by the inner cylindrical surface of the housing and two plane-parallel plates with electrodes on the outer surface relative to the camera connected to an electronic circuit including an output signal converter associated with a digital information processing device according to the claimed invention, the inner cylindrical surface of the housing non-stepped shape, with a smaller diameter in the middle part of the body and a large diameter - in areas adjacent to the conditional planes of the base of the cylinder, plates with electrodes are mounted on ledges of the body formed by the difference in its diameter, and are drawn to them by means of covers that cover the body from the side of the bases , in the covers are formed seating surfaces for installing printed circuit boards with elements of an electronic circuit including a microcontroller that acts as a digital information processing device and is made with the ability to form input pulses.

Вышеупомянутая совокупность отличительных признаков заявляемого устройства позволяет получить следующие положительные технические результаты:The above set of distinctive features of the claimed device allows to obtain the following positive technical results:

- повышение компактности устройства;- increase the compactness of the device;

- повышение надежности;- increased reliability;

- улучшение помехозащищенности;- improvement of noise immunity;

- повышение достоверности результатов измерений;- increase the reliability of measurement results;

- повышение технологичности изготовления;- increase manufacturability;

- повышение удобства эксплуатации и обслуживания.- improving the convenience of operation and maintenance.

Отличительными от наиболее близкого аналога признаками заявляемого датчика являются конструктивное исполнение корпуса со ступенчатой внутренней поверхностью, наличие закрывающих корпус с торцов крышек и их конструктивное исполнение, а также построение электронной схемы на базе микроконтроллера.Distinctive features from the closest analogue of the proposed sensor are the design of the housing with a stepped inner surface, the presence of covers that cover the housing from the ends of the covers and their design, as well as the construction of an electronic circuit based on a microcontroller.

В отличие от прототипа пластины с электродами установлены внутри корпуса, что обеспечивается его ступенчатой внутренней поверхностью, и поджаты крышками, которые зафиксированы в корпусе, предпочтительно завальцованы в корпус.Unlike the prototype, plates with electrodes are installed inside the housing, which is ensured by its stepped inner surface, and are tightened by covers that are fixed in the housing, preferably rolled into the housing.

Корпус в совокупности с крышками не только обеспечивают формирование и работу чувствительного элемента (ЧЭ) датчика - герметичной цилиндрической камеры с неэлектропроводной жидкостью, по торцам которой размещены пластины с электродами, но и обеспечивают компактное размещение всех компонентов электронной схемы датчика, для чего в крышках корпуса сформированы посадочные поверхности для печатных плат, несущих элементы электронной схемы.The housing, together with the covers, not only ensures the formation and operation of the sensor’s sensitive element (SE) of the sensor - a sealed cylindrical chamber with non-conductive liquid, the plates with electrodes are placed at the ends of them, but also provide a compact placement of all components of the sensor’s electronic circuit, for which landing surfaces for printed circuit boards carrying electronic circuit elements.

Применение микроконтроллера позволило резко сократить габариты измерительно-преобразующей системы (электронной схемы датчика) и обеспечило возможность ее размещения в одном компактном корпусе с чувствительным элементом.The use of a microcontroller made it possible to drastically reduce the dimensions of the measuring and converting system (electronic circuitry of the sensor) and made it possible to place it in one compact case with a sensitive element.

В результате предлагаемый датчик угла наклона представляет собой компактное законченное устройство, с выхода которого снимаются уже готовые измерительные данные в форме, удобной и для расчетов, и для визуализации, и для использования в системах управления подвижным объектом, угол положения которого был измерен. Устройство отличается готовностью подключения к автоматизированным системам сбора данных и управления без необходимости использования дополнительных преобразующих устройств.As a result, the proposed tilt angle sensor is a compact complete device, from the output of which ready-made measurement data are taken in a form convenient for calculations, for visualization, and for use in control systems of a moving object, the position angle of which was measured. The device is distinguished by its readiness to connect to automated data collection and control systems without the need for additional converting devices.

Благодаря размещению элементов электронной схемы в крышках корпуса по обе стороны от герметичной камеры, до минимума сокращена длина проводных линий связи, что в совокупности с аналоговой и цифровой фильтрацией сигнала осуществляемой электронной схемой устройства, позволяет максимально снизить потери и повысить достоверность измерительной информации.Due to the placement of electronic circuit elements in the housing covers on both sides of the sealed chamber, the length of the wired communication lines is reduced to a minimum, which, combined with the analog and digital filtering of the signal by the electronic circuit of the device, allows to minimize losses and increase the reliability of measurement information.

Все элементы устройства не только компактно размещены в едином корпусе, но и жестко закреплены в нем: крышки зафиксированы относительно корпуса, а платы с элементами электронной схемы жестко закреплены в крышках. Благодаря отсутствию длинных проводов и подвижных частей, конструкция датчика обладает повышенной устойчивостью по отношению к любым нагрузкам, в том числе вибрационным и ударным, что обеспечивает надежность работы датчика при любых условиях эксплуатации.All elements of the device are not only compactly placed in a single case, but also rigidly fixed in it: the covers are fixed relative to the case, and boards with electronic circuit elements are rigidly fixed in the covers. Due to the absence of long wires and moving parts, the design of the sensor has increased stability with respect to any loads, including vibration and shock, which ensures the reliability of the sensor under any operating conditions.

Предлагаемая конструкция датчика отличается простотой и технологичностью сборки, позволяет при необходимости осуществить ремонт и замену отдельных элементов, и при этом характеризуется простотой обслуживания и эксплуатации.The proposed sensor design is simple and manufacturable, allows, if necessary, repair and replacement of individual elements, and is characterized by ease of maintenance and operation.

Микроконтроллер выполняет и функцию формирователя входных импульсов, подаваемых на потенциальные электроды одной пластины, и функцию цифровой обработки выходной информации, прошедшей первичную обработку в преобразователе выходных сигналов. Благодаря тому, что упомянутые функции выполняются одним устройством, повышается точность обработки информации, расширяются возможности проведения измерений. Так, например, микроконтроллер позволяет изменять направление отсчета угла наклона.The microcontroller performs both the function of the driver of the input pulses supplied to the potential electrodes of one plate and the function of digitally processing the output information that has undergone primary processing in the converter of output signals. Due to the fact that the mentioned functions are performed by one device, the accuracy of information processing is increased, and the possibilities of measurements are expanded. So, for example, the microcontroller allows you to change the direction of the reference angle.

Микроконтроллер обеспечивает организацию связи с внешними устройствами, например, с целью передачи измерительной информации в систему управления объектом, либо к головному вычислительному устройству прибора, куда заявляемый датчик может входить как часть.The microcontroller provides the organization of communication with external devices, for example, with the aim of transmitting measurement information to the object control system, or to the head computing device of the device, where the inventive sensor can be included as part.

Печатные платы с элементами электронной схемы предпочтительно размещены с внешней стороны крышек, в которых выполнены отверстия для соединительных проводов, связывающих электроды и электронную схему. В этом случае металлический корпус с завальцованными в нем металлическими крышками образует замкнутый защитный экран вокруг чувствительного элемента, что исключает влияние на него электрической части датчика, способствует высокой помехозащищенности и повышению достоверности измерительной информации.The printed circuit boards with electronic circuit elements are preferably located on the outside of the covers, in which holes are made for the connecting wires connecting the electrodes and the electronic circuit. In this case, the metal case with metal covers rolled in it forms a closed protective shield around the sensitive element, which excludes the influence of the electric part of the sensor on it, contributes to high noise immunity and increase the reliability of the measurement information.

Упомянутое размещение является предпочтительным, но не ограничивает возможностей иной реализации заявляемого устройства. Так, например, установочные места для элементов электронной схемы могут быть сформированы внутри крышек, или даже на внутренней поверхности крышки, однако в последнем случае отсутствует упомянутый выше защитный экран.Mentioned placement is preferred, but does not limit the possibilities of another implementation of the inventive device. So, for example, mounting locations for electronic circuit elements can be formed inside the covers, or even on the inner surface of the cover, however, in the latter case, the protective shield mentioned above is missing.

В отличие от прототипа в заявляемом датчике используется несколько потенциальных электродов, размещенных на первой пластине, и один съемный электрод, расположенный на второй пластине. Потенциальные электроды выполнены в виде участков металлизации, имеющих форму одинаковых секторов, на которые разделен общий круг металлизации, выполненный на поверхности первой пластины, при этом каждый потенциальный электрод соединен с выходом микроконтроллера.Unlike the prototype, the claimed sensor uses several potential electrodes placed on the first plate, and one removable electrode located on the second plate. Potential electrodes are made in the form of plating sections in the form of identical sectors into which a common plating circle is made on the surface of the first plate, with each potential electrode connected to the output of the microcontroller.

Съемный электрод выполнен в виде цельного круга металлизации на поверхности второй пластины и соединен с входом преобразователя выходных сигналов.The removable electrode is made in the form of a solid metallization circle on the surface of the second plate and is connected to the input of the output signal converter.

Такое исполнение электродов обеспечивает возможность использования фазового метода обработки сигнала, при этом фаза выходного сигнала линейно изменяется от 0 до 360 электрических градусов при изменении положения корпуса датчика от 0 до 360 угловых градусов.This design of the electrodes makes it possible to use the phase method of signal processing, while the phase of the output signal varies linearly from 0 to 360 electrical degrees when the position of the sensor housing changes from 0 to 360 angular degrees.

Количество секторов составляет 2n, где n≥3, предпочтительно 3, 4, 5. Количество электродов менее 8 не обеспечивает необходимой точности измерений. Увеличение электродов до 64 технологически сложно реализуемо.The number of sectors is 2 n , where n≥3, preferably 3, 4, 5. The number of electrodes less than 8 does not provide the necessary measurement accuracy. Increasing the electrodes to 64 is technologically difficult to implement.

Преобразователь выходных сигналов включает усилитель, ячейку фильтров и АЦП, выполненный, например, на базе компаратора.The output signal converter includes an amplifier, a filter cell and an ADC, made, for example, on the basis of a comparator.

Для лучшего понимания сути заявляемого решения ниже приведен пример конкретного исполнения датчика, иллюстрируемый чертежами.For a better understanding of the essence of the proposed solution, the following is an example of a specific implementation of the sensor, illustrated by drawings.

Краткое описание чертежамиBrief Description of Drawings

Конструкция и работа датчика поясняются чертежами, гдеThe design and operation of the sensor are illustrated by drawings, where

на фиг.1 изображен датчик, общий вид с частичным сечением;figure 1 shows the sensor, a General view with a partial section;

на фиг.2 - корпус, общий вид;figure 2 - case, General view;

на фиг.3 - сечение А-А с фиг.2, повернуто;figure 3 - section aa from figure 2, is rotated;

на фиг.4 - первая пластина с потенциальными электродами,figure 4 - the first plate with potential electrodes,

на фиг.5 - вторая пластина со съемным электродом,figure 5 - the second plate with a removable electrode,

на фиг.6 - крышка, вид сбоку с частичным сечением,figure 6 is a cover, a side view with a partial section,

на фиг.7 - вид В с фиг.6, для первой (а) и второй крышки (б),Fig.7 is a view In from Fig.6, for the first (a) and second cover (b),

на фиг.8 - приведена принципиальная схема датчика.in Fig.8 is a schematic diagram of a sensor.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Предлагаемый датчик угла наклона содержит (см. фиг.1) корпус 1 барабанного типа, закрытый с торцов крышками 2, герметичную цилиндрическую камеру 3, частично заполненную неэлектропроводной жидкостью 4, образованную внутренней цилиндрической поверхностью корпуса 1 и двумя плоскопараллельными пластинами 5 с электродами на внешней, относительно камеры 3 поверхности, соединенными с электронной схемой датчика.The proposed inclination angle sensor contains (see Fig. 1) a drum-type housing 1, closed by caps 2, a sealed cylindrical chamber 3, partially filled with a non-conductive fluid 4, formed by the inner cylindrical surface of the housing 1 and two plane-parallel plates 5 with electrodes on the outer, relative to the camera 3 surface connected to the electronic circuit of the sensor.

Внутренняя цилиндрическая поверхность корпуса 1 (см. фиг.2, 3) выполнена ступенчатой формы: с меньшим диаметром (D1) в срединной части корпуса и большим диаметром (D2) на участках, примыкающих к условным плоскостям оснований цилиндра, образуемого упомянутой поверхностью. Пластины 5 установлены на образованных ступенчатой формой корпуса уступах 6 и поджаты к ним крышками 2, завальцованными в корпус 1, что обеспечивает герметичность камеры 3. Для возможности завальцовки на внешней поверхности корпуса 1 сформированы тонкостенные цилиндрические выступы 7.The inner cylindrical surface of the housing 1 (see FIGS. 2, 3) is made in a stepped form: with a smaller diameter (D1) in the middle part of the housing and a larger diameter (D2) in areas adjacent to the conditional planes of the cylinder bases formed by the said surface. The plates 5 are mounted on the ledges 6 formed by the stepped form of the housing and are pressed to them by covers 2 rolled into the housing 1, which ensures the tightness of the chamber 3. To allow rolling on the outer surface of the housing 1, thin-walled cylindrical protrusions 7 are formed.

Между пластиной 5 и поджимающей ее крышкой 2 может быть установлено резиновое уплотнительное кольцо 8.Between the plate 5 and the lid 2 pressing it, a rubber sealing ring 8 can be installed.

Пластины 5 выполнены из диэлектрического керамического материала, имеют одинаковые размеры и круглую форму (см. фиг.4 и 5). На внешней, относительно камеры 3, стороне пластин нанесена металлизация, имеющая форму концентрично расположенного круга. На пластине 5' круг металлизации разделен зазорами на 16 секторов, каждый из которых образует потенциальный электрод 9. На пластине 5" металлизация имеет форму цельного круга, образующего один съемный электрод 10.The plates 5 are made of dielectric ceramic material, have the same size and round shape (see figures 4 and 5). On the outside, relative to the chamber 3, the side of the plates is metallized in the form of a concentrically arranged circle. On the plate 5 ', the metallization circle is divided by gaps into 16 sectors, each of which forms a potential electrode 9. On the plate 5 ", the metallization has the shape of a solid circle forming one removable electrode 10.

С внешней стороны на крышках 2 (см. фиг.6 и 7) выполнены буртики 11, формирующие объем и посадочные поверхности для размещения печатных плат 12 с элементами электронной схемы. Печатные платы 12, выполненные круглой формы из текстолита, установлены на выступах, образованных ступенчатой внутренней поверхностью буртиков 11 крышек 2 и закреплены в них путем обжима кромки буртика в нескольких местах (см. фиг.1).On the outside on the lids 2 (see Fig.6 and 7) made collars 11, forming a volume and seating surface for placement of printed circuit boards 12 with elements of an electronic circuit. The printed circuit boards 12, made of round shape from the PCB, are mounted on the protrusions formed by the stepped inner surface of the flanges 11 of the lids 2 and secured to them by crimping the edges of the flange in several places (see figure 1).

В крышках 2 выполнены отверстия 13 для проводов 14, соединяющих электроды пластин 5 с элементами электронной схемы.In the covers 2, holes 13 are made for the wires 14 connecting the electrodes of the plates 5 with the elements of the electronic circuit.

Электронная схема датчика (см. фиг.8) включает, так называемую, ячейку 15 формирователя и ячейку 16 преобразователя выходных сигналов. Ячейка 15 формирователя содержит микроконтроллер (МК) и преобразователь интерфейса (И), размещенные на печатной плате 12, установленной в крышке 2' со стороны пластины 5' с потенциальными электродами 9. Выходы Р1-Р16 микроконтроллера (МК) соединены с потенциальными электродами 9.The sensor electronic circuit (see Fig. 8) includes the so-called shaper cell 15 and the output signal converter cell 16. The shaper cell 15 contains a microcontroller (MK) and an interface converter (I) located on a printed circuit board 12 installed in the cover 2 'from the side of the plate 5' with potential electrodes 9. The outputs P1-P16 of the microcontroller (MK) are connected to potential electrodes 9.

Ячейка 16 преобразователя выходных сигналов включает последовательно соединенные предварительный усилитель (У), три полосовых фильтра (Ф1, Ф2 и Ф3), усилитель-ограничитель (УО) и компаратор (К), размещенные на второй плате 12, установленной в крышке 2". Вход предварительного усилителя (У) соединен со съемным электродом 10. Выход компаратора (К) подключен к информационному входу микроконтроллера (МК).The output signal converter cell 16 includes pre-amplifier (U) connected in series, three band-pass filters (F1, F2 and F3), a limit amplifier (UO) and a comparator (K) located on the second board 12 installed in the cover 2 ". Input pre-amplifier (U) is connected to a removable electrode 10. The output of the comparator (K) is connected to the information input of the microcontroller (MK).

Датчик представляет собой емкостной преобразователь. Наличие 16-ти потенциальных электродов на первой пластине обеспечивает возможность использования фазового метода обработки, при этом фаза выходного сигнала линейно изменяется от 0 до 360 эл. град. при изменении положения корпуса датчика от 0 до 360° угловых.The sensor is a capacitive converter. The presence of 16 potential electrodes on the first plate makes it possible to use the phase processing method, while the phase of the output signal varies linearly from 0 to 360 el. hail. when changing the position of the sensor housing from 0 to 360 ° angular.

Возможно увеличение числа секторов (потенциальных электродов) до 32 и более, что позволит дополнительно повысить точность измерений, при этом изменение количества потенциальных электродов приведет только к увеличению числа задействованных выходов микроконтроллера и корректировке его программы, в целом же конструкция устройства останется неизменной. Схемотехнические методы увеличения количества входов/выходов микроконтроллера и связанные с этим изменения программы его работы общеизвестны.It is possible to increase the number of sectors (potential electrodes) to 32 or more, which will further increase the accuracy of measurements, while changing the number of potential electrodes will only increase the number of outputs of the microcontroller and adjust its program, in general, the device design will remain unchanged. Circuitry methods for increasing the number of inputs / outputs of the microcontroller and the associated changes in the program of its work are well known.

Работа датчика осуществляется следующим образом.The operation of the sensor is as follows.

После подачи питания микроконтроллер (МК) в соответствии с записанной ранее в его памяти программой производит настройку своего внутреннего оборудования и либо ожидает запрос на выполнение измерения от преобразователя интерфейса (И), либо выполняет измерения в соответствии с заложенной программой. Интерфейс служит для согласования уровней между внешним интерфейсом RS-485 и микроконтроллером МК.After power is supplied, the microcontroller (MK), in accordance with the program recorded earlier in its memory, sets up its internal equipment and either expects a request for measurement from the interface converter (I), or performs measurements in accordance with the program. The interface is used to coordinate levels between the external RS-485 interface and the MK microcontroller.

После получения запроса микроконтроллер формирует прямоугольные импульсы напряжения, начиная с выхода Р1 и далее до Р16, сдвинутые относительно друг друга во времени, длительность импульса на каждом выходе Р равна Т/2, где Т - период прохождения импульсов. Импульсы напряжения с выходов Р1-16 микроконтроллера подаются на соответствующие потенциальные электроды 9 пластины 5', где также формируются импульсы напряжения, сдвинутые относительно друг друга по времени.After receiving the request, the microcontroller generates rectangular voltage pulses, starting from the output of P1 and then to P16, shifted relative to each other in time, the pulse duration at each output of P is T / 2, where T is the pulse propagation period. The voltage pulses from the outputs P1-16 of the microcontroller are supplied to the corresponding potential electrodes 9 of the plate 5 ', where voltage pulses are also generated, shifted relative to each other in time.

Электроды пластин совместно с герметичной камерой 3 между ними образуют шестнадцать конденсаторов, емкость каждого из которых зависит от наличия жидкости 4 между электродами. Чем больше жидкости, тем больше емкость данного конденсатора.The plate electrodes together with the sealed chamber 3 between them form sixteen capacitors, the capacity of each of which depends on the presence of liquid 4 between the electrodes. The more liquid, the greater the capacity of this capacitor.

Сигнал со съемного электрода 10, усиленный малошумящим прецизионным усилителем (У) и отфильтрованный трехзвенным полосовым фильтром (Ф1-ФЗ) подается на компаратор (К), который выделяет фазу сигнала по отношению к началу серии импульсов, подаваемой на потенциальные электроды микроконтроллером МК. Выделенная фаза содержит информацию об угловом положении жидкости относительно электродов. Сигнал с компаратора передается на микроконтроллер, который обрабатывает и усредняет полученную информацию. Данные измерений в цифровом виде передаются через интерфейс RS-485 к внешнему устройству, либо сохраняются в памяти МК.The signal from the removable electrode 10, amplified by a low-noise precision amplifier (U) and filtered by a three-link bandpass filter (F1-FZ), is fed to a comparator (K), which selects the phase of the signal with respect to the beginning of a series of pulses supplied to potential electrodes by the microcontroller MK. The selected phase contains information about the angular position of the liquid relative to the electrodes. The signal from the comparator is transmitted to the microcontroller, which processes and averages the received information. Measurement data in digital form is transmitted via the RS-485 interface to an external device, or stored in the MK memory.

Корпус с завальцованными в нем крышками выполняет функции защитного экрана, предотвращающего воздействие случайных паразитных емкостей на показания чувствительного элемента.The case with lids rolled in it serves as a protective screen, which prevents the influence of random stray containers on the readings of the sensitive element.

Датчик имеет линейную зависимость выходного сигнала от угла наклона (±180°) корпуса датчика в одной, т.н. рабочей плоскости, и практически не изменяет показания в другой, перпендикулярной ей (нерабочей) плоскости. При этом сигнал слабо зависит от температуры.The sensor has a linear dependence of the output signal on the angle of inclination (± 180 °) of the sensor housing in one, the so-called the working plane, and practically does not change the readings in another plane perpendicular to it (non-working). In this case, the signal weakly depends on temperature.

Для определения положения объекта в пространстве используются два датчика угла наклона, расположенные друг к другу под углом 90°, т.е. в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях. Для закрепления на объекте или в приборе, на корпусе 1 датчика имеется установочная поверхность 17 и отверстия 18 для крепежных винтов.To determine the position of the object in space, two angle sensors are used, located at 90 ° to each other, i.e. in two mutually perpendicular planes. For fixing on the object or in the device, on the sensor housing 1 there is a mounting surface 17 and holes 18 for fixing screws.

Предлагаемый прецизионный, малогабаритный, интеллектуальный датчик обеспечивает точное измерение угла наклона относительно горизонта и может быть использован в геофизической аппаратуре, для определения крена различных транспортных средств и высотных сооружений, деформации различного рода опор и балок, определения направления бурения нефтяных и газовых скважин, для контроля угла наклона автомобильных и железных дорог, для контроля положения рабочего органа в различных станках, определения углового перемещения различного рода вращающихся объектов, в приборах охранной сигнализации и сейсмического контроля и проч.The proposed precision, small-sized, intelligent sensor provides accurate measurement of the angle of inclination relative to the horizon and can be used in geophysical equipment to determine the heel of various vehicles and high-rise structures, deform various supports and beams, determine the direction of drilling of oil and gas wells, to control the angle tilt of roads and railways, to control the position of the working body in various machines, to determine the angular displacement of various kinds of rotation objects in the alarm systems and seismic monitoring, etc.

Claims (5)

1. Датчик угла наклона, содержащий цилиндрическую камеру, частично заполненную неэлектропроводной жидкостью, образованную внутренней цилиндрической поверхностью корпуса и двумя плоскопараллельными пластинами с электродами на внешней, относительно камеры, поверхности, соединенными с электронной схемой, включающей преобразователь выходных сигналов, связанный с устройством цифровой обработки информации, отличающийся тем, что внутренняя цилиндрическая поверхность корпуса выполнена ступенчатой формы, с меньшим диаметром в срединной части корпуса и большим диаметром на участках, примыкающих к условным плоскостям оснований цилиндра, пластины с электродами установлены на уступах корпуса, образованных перепадом его диаметра, и поджаты к ним посредством крышек, закрывающих корпус со стороны оснований, в крышках сформированы посадочные поверхности для установки печатных плат с элементами электронной схемы, включающей микроконтроллер, выполняющий функции устройства цифровой обработки информации и выполненный с возможностью формирования входных импульсов, при этом преобразователь выходных сигналов включает усилитель, ячейку фильтров и АЦП.1. The tilt angle sensor containing a cylindrical chamber, partially filled with a non-conductive fluid, formed by the inner cylindrical surface of the housing and two plane-parallel plates with electrodes on the outer, relative to the camera, surface connected to an electronic circuit including an output signal converter connected to a digital information processing device , characterized in that the inner cylindrical surface of the housing is made of a stepped shape, with a smaller diameter in the middle h the body with a large diameter in the areas adjacent to the conditional planes of the base of the cylinder, the plates with electrodes are mounted on the ledges of the body formed by the difference in its diameter, and are pressed to them by means of covers that cover the body on the base side, the covers for mounting printed circuit boards are formed in the covers with elements of an electronic circuit including a microcontroller that performs the functions of a digital information processing device and is configured to generate input pulses, while photoelectret output signals comprises amplifier, filter and ADC cell. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что корпус и крышки выполнены металлическими, при этом крышки завальцованы в корпус.2. The sensor according to claim 1, characterized in that the housing and the covers are made of metal, while the covers are rolled into the housing. 3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что посадочные поверхности для установки печатных плат с элементами электронной схемы сформированы на внешней поверхности крышек, при этом в крышках выполнены отверстия для проводов, соединяющих электроды с элементами электронной схемы.3. The sensor according to claim 1, characterized in that the seating surfaces for installing printed circuit boards with electronic circuit elements are formed on the outer surface of the covers, while the covers have holes for wires connecting the electrodes to the electronic circuit elements. 4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что электроды каждой из пластин выполнены в виде участков металлизации на ее поверхности, имеющих форму круга, причем круг металлизации первой пластины разделен на равные сектора, образующие потенциальные электроды, соединенные с выходами микроконтроллера, а круг металлизации второй пластины выполнен цельным и образует съемный электрод, соединенный с входом преобразователя выходных сигналов.4. The sensor according to claim 1, characterized in that the electrodes of each of the plates are made in the form of metal plots on its surface in the form of a circle, wherein the metallization circle of the first plate is divided into equal sectors forming potential electrodes connected to the outputs of the microcontroller, and the circle metallization of the second plate is made integral and forms a removable electrode connected to the input of the output signal converter. 5. Датчик по п.4, отличающийся тем, что число секторов составляет 2n, где n≥3. 5. The sensor according to claim 4, characterized in that the number of sectors is 2 n , where n≥3.
RU2011149169/28A 2011-12-01 2011-12-01 Inclination angle sensor RU2475703C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011149169/28A RU2475703C1 (en) 2011-12-01 2011-12-01 Inclination angle sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011149169/28A RU2475703C1 (en) 2011-12-01 2011-12-01 Inclination angle sensor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2475703C1 true RU2475703C1 (en) 2013-02-20

Family

ID=49121064

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011149169/28A RU2475703C1 (en) 2011-12-01 2011-12-01 Inclination angle sensor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2475703C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109631845A (en) * 2018-11-16 2019-04-16 浙江海洋大学 Ocean platform oblique view equipment

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU348866A1 (en) *
JPH05172571A (en) * 1991-12-20 1993-07-09 Esuto:Kk Slope angle sensor
RU1577469C (en) * 1988-05-03 1993-11-30 Предприятие П/Я Г-4903 Transmitter of angle of slope
RU104700U1 (en) * 2010-10-18 2011-05-20 Михаил Павлович Сергиенко TILT ANGLE SENSOR
RU115064U1 (en) * 2011-12-01 2012-04-20 Закрытое акционерное общество "Энергонефтемаш" TILT ANGLE SENSOR

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU348866A1 (en) *
RU1577469C (en) * 1988-05-03 1993-11-30 Предприятие П/Я Г-4903 Transmitter of angle of slope
JPH05172571A (en) * 1991-12-20 1993-07-09 Esuto:Kk Slope angle sensor
RU104700U1 (en) * 2010-10-18 2011-05-20 Михаил Павлович Сергиенко TILT ANGLE SENSOR
RU115064U1 (en) * 2011-12-01 2012-04-20 Закрытое акционерное общество "Энергонефтемаш" TILT ANGLE SENSOR

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109631845A (en) * 2018-11-16 2019-04-16 浙江海洋大学 Ocean platform oblique view equipment
CN109631845B (en) * 2018-11-16 2023-12-19 浙江海洋大学 Ocean platform inclination observation equipment

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105917204B (en) Capacitive pressure measuring unit at least one temperature sensor
JP2008500552A5 (en)
GB2186693A (en) A device
WO2012095838A1 (en) Device for measuring fluid level in a container
CN106768161B (en) Underground water level measurement method
CN204065437U (en) A kind of electroded seismic wave wave detector
RU2475703C1 (en) Inclination angle sensor
RU115064U1 (en) TILT ANGLE SENSOR
CN104501907A (en) Aircraft fuel measuring and controlling system with self compensation capacitance type level sensor
CN1837858B (en) Multi-component borehole strain seismograph
CN108363089A (en) The quick valued methods of precipitation rate of radon and device
CN107144263A (en) A kind of obliquity sensor based on capacitance principle
CN111173496A (en) Oil well liquid production amount metering device and method
RU104700U1 (en) TILT ANGLE SENSOR
Milosavljević et al. Implementation of low cost liquid level sensor (LLS) using embedded system with integrated capacitive sensing module
CN111198305A (en) Liquid level potential sensor
RU86316U1 (en) MAGNETIC DEFECTOSCOPE FOR MONITORING UNDERGROUND METAL PIPELINES
CN207007163U (en) A kind of conductance type obliquity sensor for landslide monitoring
CN103712552A (en) Multi-component borehole strain gauge
CN203298719U (en) Capacitance-type sensor capable of simultaneously measuring inclination angle and roll angle
RU196550U1 (en) TWO-ORDINATE DEVICE FOR MEASURING ANGULAR MOVEMENTS
RU145163U1 (en) PRESSURE SENSOR WITH DIVIDING DIAPHRAGM WITH FUNCTION OF METROLOGICAL SELF-CONTROL
RU2685579C1 (en) Method of measurement humidity of bulk materials and device for its implementation
CN208847829U (en) A kind of device and altimeter and slide calliper rule based on rotating excitation field displacement measurement
CN207936865U (en) Magnetic waterproof screw micrometer

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20161202