RU2563546C2

RU2563546C2 - Horizontal pendulum angle meter

Info

Publication number: RU2563546C2
Application number: RU2013130032/28A
Authority: RU
Inventors: Эдуард Николаевич Кузин
Original assignee: Эдуард Николаевич Кузин
Priority date: 2013-07-02
Filing date: 2013-07-02
Publication date: 2015-09-20
Also published as: RU2013130032A

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: in particular, the invention relates to transport construction and can be used at automation, for example of earth-moving machines intended to construct a road bed, as well as to arrange bases and pavements of automobile roads. A horizontal noise-proof pendulum angle meter with high sensitivity with regard to a useful signal and dampened by forces proportional to its "absolute speed", which differs by the fact that a horizontal pendulum consists of a laminated set of circular thin plates one end of which is fixed on the axis, and the other one is fixed on an unbalanced plank, which is placed in a closed tight housing made in the form of a cylinder, the axis of which coincides with the pendulum axis, fully filled with a damping liquid, mounted on the plate so that one side of the housing is installed on the plate in a hinged manner, and the other side is attached to the plate by means of an adjustment bolt, by means of which constant angle value α is set, closed by a tight cover in which there are holes with protective plugs, and a converter of useful angle β to an electric signal. As a result, the proposed device has high sensitivity with regard to the useful signal and an increased oscillation period, as well as at action of interference in the form of pulse horizontal acceleration acting in the swing plane of the pendulum; the latter obtains inconsiderable false deviation β that is damped quickly as a result of damping of the pendulum relative to "liquid heavy balanced body".

EFFECT: integration of positive properties of a horizontal pendulum with a vertical one, thus providing damping of the pendulum by forces proportional to "absolute" speed.

3 cl, 3 dwg

Description

Горизонтальный помехозащищенный маятниковый измеритель служит для измерения угла относительно местной гравитационной вертикали и имеет высокую чувствительность по отношению к полезному сигналу. Изобретение относится, в частности, к области транспортного строительства и может быть использовано при автоматизации, например, землеройно-транспортных машин, предназначенных для сооружения земляного полотна, а также устройства оснований и покрытий автомобильных дорог.The horizontal noise-immune pendulum meter is used to measure the angle relative to the local gravitational vertical and has a high sensitivity with respect to the useful signal. The invention relates, in particular, to the field of transport construction and can be used in the automation, for example, of earthmoving vehicles designed for the construction of subgrade, as well as the device of bases and coatings of roads.

Маятниковый измеритель угла как наиболее простой и дешевый нашел широкое применение в автоматизации строительных машин. Однако он имеет один существенный недостаток: сигнал от поворота корпуса измерителя и сигнал от ускорения, действующего в плоскости качания маятника, физически не различимы. Но первый при этом является полезным сигналом, а второй - помехой. Так возникла проблема помехозащищенности маятниковых измерителей угла.The pendulum angle meter, as the simplest and cheapest, has found wide application in the automation of construction machines. However, it has one significant drawback: the signal from the rotation of the meter body and the signal from the acceleration acting in the swing plane of the pendulum are not physically distinguishable. But the first is a useful signal, and the second is a hindrance. So there was a problem of noise immunity of pendulum angle meters.

Для улучшения динамических характеристик маятниковых измерителей угла необходимо стремиться к увеличению демпфирования маятника силами, пропорциональными его абсолютной скорости и уменьшать демпфирование силами, пропорциональными его относительной (относительно корпуса) скорости.To improve the dynamic characteristics of pendulum angle meters, it is necessary to strive to increase the damping of the pendulum by forces proportional to its absolute speed and to reduce the damping by forces proportional to its relative (relative to the body) speed.

Горизонтальный маятник (фиг. 1) является одной из известных разновидностей физического маятника, у которого ось вращения 0Z составляет с вертикалью 0ξ некоторый постоянный малый угол α. Такой маятник совершает колебания в плоскости, перпендикулярный к оси 0Z и наклоненной плоскости горизонта также на угол α. В конструкции устройства использован принцип горизонтального маятника, демпфированного силами вязкого трения, пропорциональными «абсолютной» скорости.The horizontal pendulum (Fig. 1) is one of the known varieties of the physical pendulum, in which the axis of rotation 0Z makes up a constant small angle α with the vertical axis 0ξ. Such a pendulum oscillates in a plane perpendicular to the 0Z axis and the inclined horizon plane also by an angle α. The design of the device uses the principle of a horizontal pendulum damped by viscous friction forces proportional to the "absolute" speed.

Одной из возможных реализаций принципа демпфирования маятника силами, пропорциональными его «абсолютной» скорости, является конструкция измерителя, изображенного на фиг. 2. Измерители угла с сильным демпфированием маятника относительно тяжелого сбалансированного тела получили условное название СДУ, что означает стабилизированный по отношению к помехе датчик угла. По сравнению с простым маятниковым датчиком датчик СДУ обладает значительно более высокими показателями по каналу полезного сигнала и при близких динамических качествах значительно лучше защищен от действия помех.One of the possible implementations of the principle of damping a pendulum by forces proportional to its “absolute” speed is the design of the meter shown in FIG. 2. Angle meters with strong damping of the pendulum of a relatively heavy balanced body are conventionally called SDE, which means the angle sensor stabilized with respect to interference. Compared with a simple pendulum sensor, the SDE sensor has significantly higher rates on the channel of the useful signal and, with close dynamic qualities, is much better protected from interference.

Такие качества СДУ дали возможность успешно применить его при создании первых отечественных автоматизированных строительных машин с высоким уровнем помехи, например планировщиков полей, а оригинальность конструкции защитить - авторскими его свидетельствами на изобретение и патентами в США.Such qualities of the CDS made it possible to successfully apply it when creating the first domestic automated building machines with a high level of interference, for example, field planners, and protect the originality of the structure with its copyright certificates for inventions and US patents.

Период свободных колебаний предлагаемого устройства (фиг. 3) составляет:The period of free vibrations of the proposed device (Fig. 3) is:

$T = 2 π \sqrt{\frac{I}{m \cdot g \cdot l \cdot \sin α}}$

,

T = 2 π \sqrt{\frac{I}{m \cdot g \cdot l \cdot \sin α}}

,

где I - момент инерции маятника относительно оси 0Z;where I is the moment of inertia of the pendulum relative to the axis 0Z;

l - расстояние АС между центром тяжести маятника С и осью вращения 0Z.l is the distance AC between the center of gravity of the pendulum C and the axis of rotation 0Z.

Наличие в знаменателе подкоренного выражения множителя sinα позволяет существенно увеличить период колебаний, что способствует повышению помехозащищенности прибора. Свойства горизонтального физического маятника состоят в том, что он более чувствителен, чем вертикальный, т.к. для его отклонения от положения равновесия на угол β необходимо приложить момент m·g·l·sin α·sin β, а для вертикального - m·g·l·sin β. Следовательно, горизонтальный маятник фиксирует возможные наклоны в sin α раз меньше, чем маятник, совершающий колебания в вертикальной плоскости, что способствует помехозащищенности прибора.The presence in the denominator of the radical expression of the factor sinα can significantly increase the oscillation period, which helps to increase the noise immunity of the device. The properties of a horizontal physical pendulum are that it is more sensitive than a vertical one, because for its deviation from the equilibrium position by the angle β, it is necessary to apply the moment m · g · l · sin α · sin β, and for the vertical one, m · g · l · sin β. Therefore, the horizontal pendulum fixes the possible slopes sin α times less than the pendulum oscillating in the vertical plane, which contributes to the noise immunity of the device.

Целью изобретения является использование положительных качеств горизонтального маятника, обеспечив его демпфирование значительными силами, пропорциональными его «абсолютной» скорости.The aim of the invention is to use the positive qualities of a horizontal pendulum, ensuring its damping by significant forces proportional to its "absolute" speed.

В предлагаемом конструктивном исполнении роль тяжелого сбалансированного тела принимает на себя цилиндрический объем жидкости, находящейся в корпусе датчика соосно с осью маятника. При возмущении маятника силами инерции основная масса жидкости, заполняющая корпус устройства (фиг. 3), продолжает оставаться в относительном покое, а в приграничном слое между жидкостью и пластинами маятника возникают значительные диссипативные силы. При этом маятник помещен в закрытый цилиндрический корпус, заполненный демпфирующей жидкостью, относительно которой демпфируется значительными силами, пропорциональные его «абсолютной» скорости. Таким образом, в предлагаемом устройстве вследствие цилиндрической формы корпуса датчика объем находящейся в нем демпфирующей жидкости также имеет форму цилиндра, ось которого совпадает с осью маятника. Этим обеспечивается хорошая невозмущаемость «жидкого сбалансированного тела» ускорениями, действующими в плоскости качания маятника.In the proposed design, the role of the heavy balanced body is assumed by the cylindrical volume of the liquid located in the sensor housing coaxially with the axis of the pendulum. When the pendulum is disturbed by inertia forces, the bulk of the liquid filling the device case (Fig. 3) continues to remain in relative peace, and significant dissipative forces appear in the boundary layer between the liquid and the pendulum plates. In this case, the pendulum is placed in a closed cylindrical body filled with a damping fluid, relative to which it is damped by significant forces proportional to its "absolute" speed. Thus, in the proposed device, due to the cylindrical shape of the sensor housing, the volume of the damping fluid in it also has the shape of a cylinder, the axis of which coincides with the axis of the pendulum. This ensures a good unperturbation of the "fluid balanced body" by accelerations acting in the swing plane of the pendulum.

Измеритель угла (фиг. 3) состоит из корпуса 1, горизонтального маятника 2 на оси 3, наклоненной к местной гравитационной вертикали под постоянным малым углом α. Маятник 2 набран в виде ламинированного набора N круговых тонких пластин, одним концом закрепленных на оси 3, а другим на дебалансной планке 7, в которой выполнено отверстие для винта, фиксирующего маятник при транспортировке. Такой маятник совершает колебания в плоскости, перпендикулярной к оси 0Z и наклоненной к плоскости горизонта также на угол α. Угол β (полезный сигнал) измеряется относительно оси 0Y корпуса измерителя в плоскости, проходящей через местную гравитационную вертикаль 0ξ перпендикулярно к плоскости чертежа или параллельно плоскости Y0Z.The angle meter (Fig. 3) consists of a housing 1, a horizontal pendulum 2 on the axis 3, inclined to the local gravitational vertical at a constant small angle α. The pendulum 2 is assembled in the form of a laminated set of N circular thin plates, one end fixed on an axis 3, and the other on an unbalanced bar 7, in which a hole is made for a screw securing the pendulum during transportation. Such a pendulum oscillates in a plane perpendicular to the 0Z axis and inclined to the horizon plane also by an angle α. The angle β (useful signal) is measured relative to the axis 0Y of the meter body in a plane passing through the local gravity vertical 0ξ perpendicular to the plane of the drawing or parallel to the plane Y0Z.

Бесконтактный преобразователь 4 угла β в электрический сигнал показан внутри корпуса с выводом наружу электрического разъема и закрыт крышкой. Многолопастной маятник и ось расположены в герметичном корпусе, полностью заполненном демпфирующей жидкостью. Маятник 2 с дебалансом жестко закреплен на оси 3 и может свободно поворачиваться в опорах 5 корпуса 1. Корпус 1 выполнен в виде цилиндра, ось которого совпадает с осью маятника 3. Корпус 1 закрыт герметичной крышкой 9, в которой предусмотрена заливка. Заливное отверстие закрыто пробкой 10 и сапуном 11.The non-contact converter 4 of the angle β into an electrical signal is shown inside the housing with the output of the electrical connector and is closed by a lid. The multi-blade pendulum and the axis are located in a sealed enclosure completely filled with damping fluid. The pendulum 2 with an unbalance is rigidly fixed on the axis 3 and can freely rotate in the supports 5 of the housing 1. The housing 1 is made in the form of a cylinder whose axis coincides with the axis of the pendulum 3. The housing 1 is closed by a sealed cover 9, in which filling is provided. The filling hole is closed by a stopper 10 and a breather 11.

На корпусе имеются заливное и сливное отверстия, закрытые пробками. Преобразователь «угол β - электрический сигнал» закрыт малой крышкой 4. На корпусе 1 установлен упорный винт 12, который фиксирует маятник 2 при транспортировке измерителя угла. При завинчивании винта его конусная часть входит в отверстие шайбы, закрепленной на маятнике, и фиксирует последний относительно корпуса 1.On the body there are filler and drain holes, closed with plugs. The “angle β - electrical signal” converter is closed by a small cover 4. A stop screw 12 is installed on the housing 1, which fixes the pendulum 2 during transportation of the angle meter. When screwing the screw, its conical part enters the hole of the washer mounted on the pendulum, and fixes the latter relative to the housing 1.

Герметичный корпус измерителя смонтирован на опорной плите 13. Одна сторона корпуса установлена на плите 13 шарнирно осью 14, другая - закреплена к плите регулировочнымболтом 15, с помощью которого задается величина постоянного угла α. Опорная плита 13 крепит устройство болтами 16 к раме СДМ, угловое положение которой - β контролируется.The sealed meter body is mounted on the base plate 13. One side of the body is mounted on the plate 13 pivotally by the axis 14, the other is fixed to the plate with an adjusting bolt 15, by means of which a constant angle value α is set. The base plate 13 fastens the device with bolts 16 to the SDM frame, the angular position of which - β is controlled.

Преобразователь полезного угла наклона маятника 3 относительно корпуса устройства при наклонах последнего преобразуется в пропорциональный углу наклона электрический сигнал. Максимальный угол поворота маятника ограничен посредством упоров в пределах ±4 град. На фиг. 3 упоры условно не показаны. На корпусе 1 установлен упорный винт 12, который фиксирует маятник 2 при транспортировке измерителя угла. При завинчивании винта его конусная часть входит в отверстие дебалансной планки маятника и фиксирует его относительно корпуса 1.The Converter useful angle of the pendulum 3 relative to the housing of the device when the slopes of the latter is converted into a proportional angle of inclination of the electrical signal. The maximum angle of rotation of the pendulum is limited by means of stops within ± 4 degrees. In FIG. 3 emphasis conditionally not shown. A thrust screw 12 is installed on the housing 1, which fixes the pendulum 2 during transportation of the angle meter. When screwing the screw, its conical part enters the hole of the unbalanced bar of the pendulum and fixes it relative to the housing 1.

Действие измерителя происходит следующим образом.The action of the meter is as follows.

Корпус измерителя устанавливается на опорной плите так, чтобы его правая часть была соединена с ней шарнирно, а левая - с помощью регулируемых винтов образовала заданный угол α между нижней плоскостью измерителя и верхней плоскостью плиты. Далее устройство вместе с опорной плитой жестко закрепляется в горизонтальной плоскости на раме машины, так чтобы предполагаемое направление вертикальной плоскости измерения угла β совпадало с продольной осью рамы машины.The meter body is mounted on the base plate so that its right-hand side is pivotally connected to it, and the left — with the help of adjustable screws, forms the specified angle α between the lower plane of the meter and the upper plane of the plate. Further, the device, together with the base plate, is rigidly fixed in a horizontal plane on the machine frame, so that the assumed direction of the vertical plane for measuring angle β coincides with the longitudinal axis of the machine frame.

Вывинчиваем упорный винт 12, освобождая маятник устройства, и по выходному электрическому сигналу преобразователя угла фиксируем нуль угла β. При изменении угла наклона рамы устройство покажет направление и величину этого углового отклонения.We unscrew the stop screw 12, freeing the pendulum of the device, and fix the zero of angle β by the output electric signal of the angle converter. When changing the angle of the frame, the device will show the direction and magnitude of this angular deviation.

Итак, в конструкции предлагаемого измерителя имеется «тяжелое сбалансированное тело» и механизм демпфирования горизонтального маятника относительно этого «тела» и, потому его динамические свойства в первом приближении и сам измеритель могут быть отнесены к типу устройств [1] со смешанным демпфированием маятника силами, пропорциональными относительной и абсолютной скорости.So, in the design of the proposed meter there is a “heavy balanced body” and a damping mechanism of the horizontal pendulum relative to this “body” and, therefore, its dynamic properties as a first approximation and the meter itself can be classified as devices [1] with mixed damping of the pendulum by forces proportional to relative and absolute speed.

При действии помехи в виде импульсного горизонтального ускорения, действующего в плоскости качания маятника, последний получает незначительное ложное отклонение β, которое вследствие демпфирования маятника относительно «жидкого тяжелого сбалансированного тела» быстро затухают. Маятник конструктивно выполнен набранным из N жестко соединенных между жестко соединенных между собой круговых тонких пластин, отстоящих друг от друга на расстоянии b, которые и образуют механизм демпфирования маятника относительно «жидкого сбалансированного тела» силами, пропорциональными абсолютной скорости, а от корпуса датчика - на заведомо большем расстоянии t.Under the influence of interference in the form of pulsed horizontal acceleration acting in the swing plane of the pendulum, the latter receives a slight false deviation β, which, due to the damping of the pendulum relative to the “liquid heavy balanced body”, quickly decays. The pendulum is structurally made up of N thinly rigidly interconnected circular thin plates spaced apart at a distance b, which form the damping mechanism of the pendulum with respect to the “fluid balanced body” by forces proportional to the absolute velocity, and from the sensor case greater distance t.

Для удовлетворительных динамических характеристик измерителя угла в зависимости от вязкости применяемой демпфирующей жидкости подбирают рациональные значения количества пластин маятника N, а также величины зазоров t, b и диаметр датчика D. Так, для минерального масла ИС-30, вязкость которого существенно зависит от его температуры в диапазоне от 0°С до +40°С, рекомендуются основные параметры маятника: N=15, t=25 мм, b=15, D=300 мм.For satisfactory dynamic characteristics of the angle meter, depending on the viscosity of the damping fluid used, rational values of the number of pendulum plates N are selected, as well as the clearances t, b and the diameter of the sensor D. So, for mineral oil IS-30, the viscosity of which substantially depends on its temperature in range from 0 ° С to + 40 ° С, the main parameters of the pendulum are recommended: N = 15, t = 25 mm, b = 15, D = 300 mm.

СсылкаLink

1. Кузин Э.Н. «Автоматизация землеройно-планировочных машин», МАДИ, М., 2008. 1. Kuzin E.N. “Automation of earth-planning machines”, MADI, M., 2008.

Claims

1. A horizontal noise-proof pendulum angle meter with high sensitivity with respect to the useful signal and damped by forces proportional to its "absolute speed", characterized in that the horizontal pendulum consists of a laminated set of circular thin plates, one end fixed to the axis, and another on an unbalanced plank, placed in a closed cylindrical sealed housing made in the form of a cylinder, the axis of which coincides with the axis of the pendulum, a completely filled damper mounted on the plate so that one side of the housing is pivotally mounted on the plate, and the other side is fixed to the plate with an adjusting bolt, which sets the constant angle α, closed with a sealed cover, which has holes with protective plugs, and a converter effective angle β into an electrical signal.

2. The device according to claim 1, characterized in that the pendulum is made up of N thinly rigidly interconnected circular thin plates spaced apart by a distance b, and from the sensor housing by a known greater distance t.

3. The device according to claim 1, characterized in that the role of the heavy balanced body, relative to which the horizontal pendulum is damped, is performed by the damping fluid.