RU2577804C1 - Device for measuring angle of inclination plane - Google Patents
Device for measuring angle of inclination plane Download PDFInfo
- Publication number
- RU2577804C1 RU2577804C1 RU2014148722/28A RU2014148722A RU2577804C1 RU 2577804 C1 RU2577804 C1 RU 2577804C1 RU 2014148722/28 A RU2014148722/28 A RU 2014148722/28A RU 2014148722 A RU2014148722 A RU 2014148722A RU 2577804 C1 RU2577804 C1 RU 2577804C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- inclination
- angle
- frequency
- measuring
- oscillator
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Устройство относится к области измерительной техники и может быть использовано в геодезии; при строительстве протяженных гидротехнических сооружений; при создании приборов и устройств, требующих привязки к уровню горизонта; а также в технике физического эксперимента.The device relates to the field of measurement technology and can be used in geodesy; during the construction of long hydraulic structures; when creating instruments and devices that require reference to the horizon level; as well as in the technique of a physical experiment.
Уровень техники State of the art
Многие приборы для измерения угла наклона поверхности работают на принципе сообщающихся сосудов: теодолиты, манометры, нивелиры. Для определения угла наклона с помощью сообщающихся сосудов требуется знать уровень жидкости в них и расстояние между сосудами. Точность измерений таких приборов зависит от устройства измерения высоты столба жидкости в сосуде. Для измерения высоты столба жидкости используется либо шкала, нанесенная на сосуд, либо шкала, специально разработанная для данного устройства. Как правило, точность измерения с помощью обычных шкал не превышает 0.5 мм. Лучшую точность имеют инклинометры, обладающие двойной шкалой измерения. Их точность для большинства моделей составляет ±0.1°. Лучшую точность имеют инклинометры NB3 фирмы Seika (0.001° в диапазоне углов ±10°) [1], что для ряда приложений является не достаточным как по диапазону измеряемых углов, так и точности измерения. Для решения данной задачи были предложены различные способы и устройства.Many instruments for measuring the angle of inclination of the surface work on the principle of communicating vessels: theodolites, manometers, levels. To determine the angle of inclination using communicating vessels, you need to know the liquid level in them and the distance between the vessels. The accuracy of measurements of such devices depends on the device for measuring the height of the liquid column in the vessel. To measure the height of the liquid column, either a scale applied to the vessel or a scale specially designed for this device is used. As a rule, the measurement accuracy using conventional scales does not exceed 0.5 mm. The best accuracy are inclinometers with a dual measurement scale. Their accuracy for most models is ± 0.1 °. Seika inclinometers (0.001 ° in the range of angles ± 10 °) have better accuracy [1], which for a number of applications is not sufficient both in the range of measured angles and in the measurement accuracy. To solve this problem, various methods and devices have been proposed.
Известен способ определения угла наклона и датчик угла наклона [2], в котором применяется магнитная жидкость, помещенная в U-образный трубчатый гидроуровень, на одном из концов которого выполнена обмотка, связанная с электрической схемой. При наклоне U-образного трубчатого гидроуровня магнитная жидкость попадает в зону обмотки. По изменению электрической характеристики обмотки регистрируется уровень жидкости в трубке, требуемый для вычисления угла наклона.A known method for determining the angle of inclination and the angle sensor [2], which uses magnetic fluid placed in a U-shaped tubular hydraulic level, at one end of which is made a winding associated with an electrical circuit. When the U-shaped tubular hydraulic level is tilted, the magnetic fluid enters the winding zone. By changing the electrical characteristics of the winding, the liquid level in the tube is required to calculate the angle of inclination.
Известен способ определения угла наклона и устройство для его осуществления [3], основанный на перемещении тела качения относительно стационарного положения в камере с жидкостью под действием силы тяжести. Перемещение тела происходит в чувствительной зоне, создаваемой активным элементом, расположенным ниже корпуса камеры. Расстояние между активным элементом и телом качения регулируется. В зависимости от способа создания чувствительной зоны активный элемент может состоять из: 1) металлических обкладок, расположенных концентрическим образом и образующих электрическую емкость между собой; 2) катушки индуктивности: 3) постоянного магнита. В качестве тела качения может использоваться шар, диск или цилиндр, а поверхность качения выполняют в виде сферы, конуса или поверхности с заданной кривизной. Поверхность для перемещения тела качения имеет фиксированный угол относительно уровня горизонта. При наклоне поверхности качения, превышающем заданный угол, тело начинает катиться под действием силы тяжести до точки, касательная в которой параллельна уровню горизонта. Амплитуда сигнала, формируемого активным элементом, зависит от положения тела качения, что позволяет определять угол наклона.A known method for determining the angle of inclination and a device for its implementation [3], based on the movement of the rolling body relative to a stationary position in the chamber with the liquid under the action of gravity. The movement of the body occurs in the sensitive area created by the active element located below the camera body. The distance between the active element and the rolling body is adjustable. Depending on the method of creating a sensitive zone, the active element may consist of: 1) metal plates arranged in a concentric manner and forming an electric capacitance between themselves; 2) inductors: 3) permanent magnet. As a rolling body, a ball, disk or cylinder can be used, and the rolling surface is made in the form of a sphere, cone or surface with a given curvature. The surface for moving the rolling body has a fixed angle relative to the horizon. When the tilt of the rolling surface exceeds a predetermined angle, the body begins to roll under the action of gravity to a point where the tangent is parallel to the horizon level. The amplitude of the signal generated by the active element depends on the position of the rolling body, which allows you to determine the angle of inclination.
У этого известного технического решения имеются недостатки:This known technical solution has disadvantages:
- при реализации поверхности для качения в симметричном виде в плоскости XY (сфера, конус и другие, заявляемые автором) направление качения, а следовательно, и угол наклона, является неопределенным при заявленных способах регистрации, так как при одинаковом отклонении в любую сторону амплитуда сигнала будет идентичной;- when a rolling surface is realized in a symmetrical form in the XY plane (sphere, cone, and others, as claimed by the author), the rolling direction, and therefore the inclination angle, is uncertain with the declared registration methods, since with the same deviation in either direction, the signal amplitude will be identical;
- точность регистрации угла наклона зависит от крутизны катящей поверхности и будет падать с ее увеличением, что требуется для увеличения диапазона измеряемых углов;- the accuracy of recording the angle of inclination depends on the steepness of the rolling surface and will fall with its increase, which is required to increase the range of measured angles;
- способ определения имеет температурную зависимость, по крайней мере, при емкостном варианте регистрации сигнала, связанную с температурной зависимостью диэлектрической постоянной жидкости.- the determination method has a temperature dependence, at least with a capacitive version of the signal registration, associated with the temperature dependence of the dielectric constant of the liquid.
Известен способ определения угла наклона плоскости по величине емкости конденсаторов, помещенных в сообщающиеся сосуды [4], выбранный в качестве прототипа. Устройство для реализации этого способа содержит два жидкостных конденсатора, помещенные в сосуды из диэлектрического материала. Сосуды установлены на общей подложке на определенном расстоянии относительно друг друга и соединены между собой трубкой. Верхние обкладки конденсаторов плавают на поверхности жидкости, а нижние обкладки подключены к нулевому проводу устройства. Высота столба жидкости в сосудах, необходимая для вычисления угла наклона, определяется путем одновременного измерения емкости конденсаторов, помещенных в сосуды, между обкладками которых находится жидкость. По измеренным значениям емкостей вычисляют угол наклона плоскости, определяемый линией горизонта и линией, проходящей через центры основания сосудов. Влияние неточности измерения размеров устройства компенсируется с помощью предварительной калибровки. Влияние температуры на точность измерения емкости также учитывается по зависимости диэлектрической проницаемости жидкости и материала сосудов от температуры.A known method of determining the angle of inclination of the plane by the value of the capacitance of capacitors placed in communicating vessels [4], selected as a prototype. A device for implementing this method contains two liquid capacitors placed in vessels of dielectric material. The vessels are mounted on a common substrate at a certain distance relative to each other and are interconnected by a tube. The upper plates of the capacitors float on the surface of the liquid, and the lower plates are connected to the neutral wire of the device. The height of the liquid column in the vessels, necessary for calculating the angle of inclination, is determined by simultaneously measuring the capacitance of the capacitors placed in the vessels, between the plates of which there is a liquid. The measured values of the capacities calculate the angle of inclination of the plane, determined by the horizon line and the line passing through the centers of the base of the vessels. The influence of inaccurate measurement of the dimensions of the device is compensated by preliminary calibration. The effect of temperature on the accuracy of measuring capacitance is also taken into account by the temperature dependence of the dielectric constant of the liquid and vessel material.
Ставилась задача разработать устройство измерения угла наклона плоскости с точностью измерения угла (10-6-10-7)° для техники физического эксперимента, что почти на два порядка превышает точность измерения прототипа. Устройство должно отличаться высокой надежностью, доступностью в реализации и удобством в применении. Например, проектируемый ускоритель в рамках международного проекта "Компактный Линейный Коллайдер" (The Compact Linear Collider) [5] должен обеспечить электронный пучок по вертикальной координате порядка 5·10-9 метра [6]. Для обеспечения требований монтаж ускорительных элементов пучка, криомодулей, необходимо выполнять с прецизионной точностью. Поэтому задача контроля угла наклона криомодулей при их установке является важной проблемой.The task was to develop a device for measuring the angle of inclination of the plane with an accuracy of measuring the angle (10 -6 -10 -7 ) ° for the technique of a physical experiment, which is almost two orders of magnitude higher than the measurement accuracy of the prototype. The device should be characterized by high reliability, affordability and ease of use. For example, the designed accelerator within the framework of the international project “The Compact Linear Collider” [5] should provide an electron beam along a vertical coordinate of the order of 5 · 10 -9 meters [6]. To meet the requirements, the installation of beam accelerator elements, cryomodules, must be performed with precision precision. Therefore, the task of controlling the angle of inclination of cryomodules during their installation is an important problem.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Поставленная задача решается тем, что берется известный способ измерения угла наклона с помощью сообщающихся сосудов посредством измерения уровня жидкости в сосудах емкостным методом. Устройство для реализации способа включает два жидкостных конденсатора, сообщающихся между собой с помощью соединительной трубки. Каждый конденсатор представляет собой сосуд из диэлектрического материала. Сосуды помещаются на общей подложке на определенном расстоянии относительно друг друга. Нижние обкладки конденсаторов крепятся к дну сосуда и подключаются к нулевому потенциалу, а верхние обкладки свободно плавают на поверхности жидкости, помещенной в сосуды. При такой реализации конденсаторов их емкость пропорциональна величине столба жидкости в сосуде, требуемой для вычисления угла наклона плоскости. Кроме того, в устройство введены два автогенератора, прибор для измерения частоты и для каждого конденсатора две индуктивности фиксированной величины, соединенные последовательно. Один вывод соединенных индуктивностей подключается к верхней обкладке соответствующего конденсатора, а другой - к нулевому проводу устройства. Индуктивности совместно с конденсаторами образуют резонансные LC схемы, которые подключены к частотозадающим входам автогенераторов. Выходы автогенераторов подключены к прибору одновременного измерения частоты автогенераторов, значения которых позволяют вычислить угол наклона плоскости по формуле:The problem is solved by taking a known method of measuring the angle of inclination using communicating vessels by measuring the level of liquid in the vessels by the capacitive method. A device for implementing the method includes two liquid capacitors communicating with each other using a connecting tube. Each capacitor is a vessel of dielectric material. The vessels are placed on a common substrate at a certain distance relative to each other. The lower plates of the capacitors are attached to the bottom of the vessel and are connected to zero potential, and the upper plates freely float on the surface of the liquid placed in the vessels. With this implementation of capacitors, their capacitance is proportional to the size of the liquid column in the vessel required to calculate the angle of inclination of the plane. In addition, two self-oscillators, a device for measuring the frequency, and for each capacitor two inductances of a fixed value connected in series are introduced into the device. One output of the connected inductances is connected to the top plate of the corresponding capacitor, and the other to the neutral wire of the device. The inductances together with the capacitors form resonant LC circuits that are connected to the frequency inputs of the oscillators. The outputs of the oscillators are connected to the device for simultaneous measurement of the frequency of the oscillators, the values of which allow you to calculate the angle of inclination of the plane according to the formula:
φ - измеряемый угол наклона плоскости;φ is the measured angle of inclination of the plane;
R - расстояние между сосудами, определяемое по линии между центрами их оснований;R is the distance between the vessels, determined by the line between the centers of their bases;
k - коэффициент отношения калиброванных площадей обкладок конденсаторов;k is the ratio of the calibrated areas of the capacitor plates;
HК - калиброванное значение высоты столба жидкости в сосудах при нулевом угле наклона;H K is the calibrated value of the height of the liquid column in the vessels at zero angle of inclination;
ε0 - диэлектрическая постоянная вакуума;ε 0 is the dielectric constant of the vacuum;
ε - диэлектрическая проницаемость жидкости;ε is the dielectric constant of the liquid;
S1К - калиброванная площадь верхней обкладки конденсатора в первом сосуде;S 1K is the calibrated area of the upper plate of the capacitor in the first vessel;
S2К - калиброванная площадь верхней обкладки конденсатора во втором сосуде;S 2K is the calibrated area of the upper plate of the capacitor in the second vessel;
L=L1+L2 - суммарная индуктивность LC схемы. L = L 1 + L 2 is the total inductance of the LC circuit.
Отношение индуктивностей L2/(L1 и L2) позволяет регулировать амплитуду автогенератора;The ratio of inductances L 2 / (L 1 and L 2 ) allows you to adjust the amplitude of the oscillator;
f1К - частота первого автогенератора при калибровке;f 1K - the frequency of the first oscillator during calibration;
f2К - частота второго автогенератора при калибровке;f 2K - the frequency of the second oscillator during calibration;
f1П - частота первого автогенератора в режиме определения паразитной емкости соединительных проводов и входа автогенератора;f 1P - the frequency of the first oscillator in the mode of determining the stray capacitance of the connecting wires and the input of the oscillator;
f2П - частота второго автогенератора в режиме определения паразитной емкости соединительных проводов и входа автогенератора;f 2P - the frequency of the second oscillator in the mode of determining the stray capacitance of the connecting wires and the input of the oscillator;
f1 - частота первого автогенератора при измерении угла наклона;f 1 - the frequency of the first oscillator when measuring the angle of inclination;
f2 - частота второго автогенератора при измерении угла наклона.f 2 - the frequency of the second oscillator when measuring the angle of inclination.
При измерении угла наклона подложка с конденсаторами устанавливается на измеряемую плоскость. В соответствии с принципом работы сообщающихся сосудов уровень жидкости относительно линии горизонта в них будет одинаковым. При этом в зависимости от наклона в одном сосуде высота жидкости относительно нулевого угла наклона уменьшится, а в другом увеличится на одну и ту же величину, что приведет к изменению значения емкостей конденсаторов. Для определения угла наклона плоскости измеряют резонансные частоты каждой LC схемы, образованной индуктивностью фиксированной величины и емкостью конденсатора. Для этого к верхним обкладкам конденсаторов подключают индуктивности фиксированного номинала L=L1+L2, которые совместно с емкостью конденсаторов образуют параллельные резонансные LC схемы. Каждая LC схема используется в качестве частотозадающего узла автогенератора, частота которого пропорциональна высоте столба жидкости и зависит от угла наклона плоскости. Амплитуда сигнала автогенератора регулируется отношением индуктивностей в цепи обратной связи L2/(L1+L2). Приборы измерения частоты имеют более высокую точность, поэтому измерение емкости с использованием частотного преобразования с помощью LC схемы позволяет существенно улучшить точность определения угла наклона плоскости. Чтобы повысить точность определения угла наклона предлагаемого устройства, площади обкладок конденсаторов, высоту столба жидкости в сосудах и паразитные емкости соединительных проводов калибруют при нулевом угле наклона.When measuring the angle of inclination, the substrate with capacitors is installed on the measured plane. In accordance with the principle of operation of communicating vessels, the liquid level relative to the horizon line in them will be the same. In this case, depending on the slope in one vessel, the height of the liquid relative to the zero angle of inclination will decrease, and in the other it will increase by the same amount, which will lead to a change in the value of the capacitors of the capacitors. To determine the angle of inclination of the plane, the resonance frequencies of each LC circuit formed by a fixed value inductance and capacitor capacitance are measured. To do this, inductors of a fixed value L = L 1 + L 2 are connected to the upper plates of the capacitors, which together with the capacitance of the capacitors form parallel resonant LC circuits. Each LC circuit is used as a frequency-setting unit of the oscillator, the frequency of which is proportional to the height of the liquid column and depends on the angle of inclination of the plane. The amplitude of the oscillator signal is regulated by the ratio of inductances in the feedback circuit L 2 / (L 1 + L 2 ). Frequency measuring instruments have higher accuracy, therefore, measuring capacitance using frequency conversion using an LC circuit can significantly improve the accuracy of determining the angle of inclination of the plane. To increase the accuracy of determining the angle of inclination of the proposed device, the area of the plates of the capacitors, the height of the liquid column in the vessels and stray capacitance of the connecting wires are calibrated at zero angle of inclination.
Для учета влияния температуры одновременно с измерением угла наклона плоскости измеряют температуру окружающей среды и корректируют погрешность изменения столба жидкости в сосудах, связанную с температурным расширением используемой жидкости и материала сосудов, исходя из их известной зависимости от температуры, а угол наклона вычисляют по формуле:To take into account the influence of temperature, simultaneously with measuring the angle of inclination of the plane, the ambient temperature is measured and the error in the change in the column of liquid in the vessels is adjusted, which is associated with the temperature expansion of the liquid and vessel material used, based on their known temperature dependence, and the angle of inclination is calculated by the formula:
φ - измеряемый угол наклона плоскости;φ is the measured angle of inclination of the plane;
HК - калиброванное значение высоты столба жидкости в сосуде при нулевом угле наклона;H K is the calibrated value of the height of the liquid column in the vessel at zero angle of inclination;
R - расстояние между сосудами, определяемое по линии между центрами их оснований;R is the distance between the vessels, determined by the line between the centers of their bases;
Т - температура окружающей среды при измерении наклона;T is the ambient temperature when measuring the slope;
ТК - температура окружающей среды во время калибровки;T K - ambient temperature during calibration;
αж(Т) - значение коэффициента температурного расширения жидкости при температуре измерения угла наклона;α W (T) - the value of the coefficient of thermal expansion of the liquid at a temperature measuring the angle of inclination;
αж(ТК) - значение коэффициента температурного расширения жидкости при температуре калибровки;α W (T K ) - the value of the coefficient of thermal expansion of the liquid at the calibration temperature;
αс(Т) - значение коэффициента температурного расширения материала сосуда при температуре измерения угла наклона;α c (T) is the value of the coefficient of thermal expansion of the vessel material at the temperature of measuring the angle of inclination;
αс(TК) - значение коэффициента температурного расширения материала сосуда при температуре калибровки;α s (T K ) is the value of the coefficient of thermal expansion of the vessel material at the calibration temperature;
f1 - частота первого автогенератора при измерении угла наклона;f 1 - the frequency of the first oscillator when measuring the angle of inclination;
f2 - частота второго автогенератора при измерении угла наклона;f 2 - the frequency of the second oscillator when measuring the angle of inclination;
f1П - частота первого автогенератора в режиме определения паразитной емкости соединительных проводов и входа автогенератора;f 1P - the frequency of the first oscillator in the mode of determining the stray capacitance of the connecting wires and the input of the oscillator;
f2П - частота второго автогенератора в режиме определения паразитной емкости соединительных проводов и входа автогенератора.f 2P - the frequency of the second oscillator in the mode of determining the stray capacitance of the connecting wires and the input of the oscillator.
Совокупность указанных решений позволяет повысить точность измерения угла наклона и обеспечить требования, предъявляемые в технике физического эксперимента.The combination of these solutions allows to increase the accuracy of measuring the angle of inclination and to ensure the requirements of the technique of a physical experiment.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами:The claimed technical solution is illustrated by the drawings:
1. На фигуре 1 (приложение 1) показано устройство измерения угла наклона плоскости в режиме калибровки.1. Figure 1 (Appendix 1) shows a device for measuring the angle of inclination of a plane in calibration mode.
2. На фиг. 2 (приложение 1) показано устройство для измерения угла наклона плоскости в режиме измерения.2. In FIG. 2 (Appendix 1) shows a device for measuring the angle of inclination of the plane in the measurement mode.
3. На фиг. 3 (приложение 2) приведена зависимость диэлектрической проницаемости воды от температуры.3. In FIG. 3 (Appendix 2) shows the temperature dependence of the dielectric constant of water.
4. На фиг. 4 (приложение 3) показан вариант реализации схемы автогенератора.4. In FIG. 4 (Appendix 3) shows an embodiment of a self-oscillator circuit.
Элементы устройства показаны на фиг. 1 (приложение 1) в режиме калибровки и фиг. 2 (приложение 1) - в режиме измерения угла наклона плоскости. Предлагаемое устройство включает: 1 и 5 - индуктивности резонансных LC схем; 2 и 4 - автогенераторы; 3 - прибор для одновременного измерения частоты автогенераторов; 6 и 7 - сообщающиеся сосуды; 8 и 9 - верхние обкладки конденсаторов; 12 - соединительная трубка; 13 - подложка для установки сосудов; 14 и 15 - нижние обкладки конденсаторов.The elements of the device are shown in FIG. 1 (Appendix 1) in calibration mode and FIG. 2 (Appendix 1) - in the mode of measuring the angle of inclination of the plane. The proposed device includes: 1 and 5 - inductance of resonant LC circuits; 2 and 4 - auto-generators; 3 - a device for simultaneously measuring the frequency of oscillators; 6 and 7 - communicating vessels; 8 and 9 - the upper plates of the capacitors; 12 - connecting tube; 13 - substrate for installing vessels; 14 and 15 are the lower plates of the capacitors.
Схема автогенератора реализована на основе операционного усилителя с температурной компенсацией - U1. Резонансная LC схема состоит из емкости конденсатора - С, соединенного параллельно с индуктивностями фиксированной величины L1 и L2, причем L=L1+L2. Суммарное значение индуктивностей совместно с емкостью конденсатора определяет частоту колебаний автогенератора. Делитель из индуктивностей (L1 и L2) позволяет подстроить амплитуду сигнала автогенератора пропорционально L2/(L1+L2).The oscillator circuit is implemented on the basis of an operational amplifier with temperature compensation - U1. The resonant LC circuit consists of a capacitor - C connected in parallel with a fixed inductance L 1 and L 2 , with L = L 1 + L 2 . The total value of the inductances together with the capacitance of the capacitor determines the oscillation frequency of the oscillator. The divider of inductances (L 1 and L 2 ) allows you to adjust the amplitude of the oscillator signal in proportion to L 2 / (L 1 + L 2 ).
Работа устройства основана на принципе сообщающихся сосудов, который позволяет определить угол наклона плоскости по разности высот столбов жидкости в сосудах и расстоянию между сосудами:The operation of the device is based on the principle of communicating vessels, which allows you to determine the angle of inclination of the plane by the difference in height of the liquid columns in the vessels and the distance between the vessels:
φ - измеряемый угол наклона;φ is the measured angle of inclination;
H1 - уровень жидкости в первом сосуде;H 1 - liquid level in the first vessel;
Н2 - уровень жидкости во втором сосуде;H 2 - liquid level in the second vessel;
R - расстояние между сосудами.R is the distance between the vessels.
Точность измерения высоты столба жидкости в сосуде можно повысить за счет преобразования высоты жидкости в сосуде в частоту резонансной LC схемы, образованной внешней индуктивностью L фиксированного номинала и емкостью жидкостного конденсатора С. В этом случае формула для вычисления угла наклона плоскости имеет вид:The accuracy of measuring the height of the liquid column in the vessel can be improved by converting the height of the liquid in the vessel to the frequency of the resonant LC circuit formed by the external inductance L of a fixed value and the capacity of the liquid capacitor C. In this case, the formula for calculating the angle of inclination of the plane has the form:
где:Where:
φ - измеряемый угол наклона;φ is the measured angle of inclination;
HК - калиброванная высота столба жидкости в сосудах при нулевом угле наклона;H K - calibrated height of the liquid column in the vessels at zero angle of inclination;
R - расстояние между сосудами, определяемое по линии между центрами их оснований;R is the distance between the vessels, determined by the line between the centers of their bases;
f1 - частота первого автогенератора при измерении угла наклона;f 1 - the frequency of the first oscillator when measuring the angle of inclination;
f2 - частота второго автогенератора при измерении угла наклона.f 2 - the frequency of the second oscillator when measuring the angle of inclination.
Чтобы обеспечить высокую точность определения угла наклона, площади верхних обкладок конденсаторов и высоту столба жидкости в сосудах калибруют при нулевом угле наклона и измеренной температуре. Элементы способа в режиме калибровки показаны на фиг. 1 (приложение 1). Калибровка позволяет учесть паразитную емкость соединительных проводов, нелинейные эффекты на краях конденсаторов, компенсировать ошибку измерения площади обкладок, с высокой точностью определить первоначальную высоту столба жидкости в сосудах и более точно определить расстояние между сосудами.To ensure high accuracy in determining the angle of inclination, the areas of the upper plates of the capacitors and the height of the liquid column in the vessels are calibrated at zero angle of inclination and the measured temperature. Elements of the method in calibration mode are shown in FIG. 1 (Appendix 1). Calibration allows you to take into account the stray capacitance of the connecting wires, nonlinear effects at the edges of the capacitors, compensate for the error in measuring the area of the plates, determine with high accuracy the initial height of the liquid column in the vessels and more accurately determine the distance between the vessels.
Калибровка выполняется следующим образом. Предварительно измеряется площадь верхних обкладок конденсаторов (8, 9), которые равны S1И и S2И соответственно для первого и второго конденсатора. Нижние обкладки конденсаторов (14, 15) крепятся на дне сосудов и могут иметь большую площадь. Они соединяются с проводом нулевого потенциала устройства. Критичной является площадь верхних обкладок. Далее сосуды 6 и 7 закрепляют на подложке 13, которую устанавливают на плоскость с нулевым уклоном. Между собой сосуды сообщаются с помощью трубки 12. При отключенных обкладках конденсаторов измеряют паразитные емкости входов автогенераторов и проводов, соединяющих обкладки с входами автогенераторов 2 и 4. В предлагаемом устройстве верхние обкладки конденсаторов подключают к частотозадающим входам автогенераторов 2 и 4. К этим входам также подключают последовательно соединенные индуктивности L1 и L2 фиксированной величины, нижний вывод которых подключается к нулевому проводу устройства. Паразитные емкости проводов и входа автогенератора совместно с индуктивностями 1 и 5 образуют резонансные LC схемы L=L1+L2. Частота автогенераторов определяется фиксированной величиной индуктивности L и паразитной емкостью входа автогенератора и соединительных проводов. Она измеряется прибором измерения частоты 3. По измеренным частотам вычисляются суммарную паразитную емкость в каждом канале регистрации:Calibration is performed as follows. The area of the upper plates of the capacitors (8, 9), which are equal to S 1I and S 2I, respectively, for the first and second capacitor, is preliminarily measured. The lower plates of the capacitors (14, 15) are mounted on the bottom of the vessels and can have a large area. They are connected to the wire of the zero potential of the device. Critical is the area of the upper plates. Next, the
ΔC1=1/(2πf1П)2·LΔC 1 = 1 / (2πf 1P ) 2 · L
ΔC2=1/(2πf2П)2·LΔC 2 = 1 / (2πf 2P ) 2 · L
ΔC1 - паразитная емкость входа автогенератора и проводов для подключения конденсатора в первом сосуде;ΔC 1 - parasitic capacitance of the input of the oscillator and wires for connecting the capacitor in the first vessel;
ΔС2 - паразитная емкость входа автогенератора и проводов для подключения конденсатора во втором сосуде;ΔС 2 - parasitic capacitance of the input of the oscillator and wires for connecting the capacitor in the second vessel;
f1П - частота первого автогенератора в режиме определения паразитной емкости;f 1P - the frequency of the first oscillator in the mode of determination of stray capacitance;
f2П - частота второго автогенератора в режиме определения паразитной емкости;f 2P - the frequency of the second oscillator in the mode of determination of stray capacitance;
L=L1+L2 - суммарное значение индуктивности LC схемы.L = L 1 + L 2 - the total value of the inductance of the LC circuit.
Затем к проводам подключают верхние обкладки конденсаторов 8 и 9, и в сосуды 6 и 7 наливают определенное количество жидкости. В этом случае уровни жидкости в сосудах 10, 11 будут одинаковыми, а емкости конденсаторов между обкладками 8, 14 (С10) и обкладками 9, 15 (С20) будут отличаться только за счет разницы площадей обкладок, краевых эффектов и определяться соотношениями:Then, the upper plates of the
С10 - значение емкости первого конденсатора в режиме калибровки;With 10 - the value of the capacitance of the first capacitor in calibration mode;
С20 - значение емкости второго конденсатора в режиме калибровки;With 20 - the value of the capacitance of the second capacitor in calibration mode;
ε0 - диэлектрическая постоянная вакуума;ε 0 is the dielectric constant of the vacuum;
ε - диэлектрическая проницаемость жидкости;ε is the dielectric constant of the liquid;
Отношение величин емкостей С10 и С20 с учетом измеренных поправок ΔС1, ΔС2 равно отношению калиброванных площадей конденсаторов, которое будет константой при любом количестве жидкости в сосудах. Это позволяет компенсировать относительную ошибку в измерении площадей и учесть краевые эффекты обкладок конденсаторов.The ratio of the capacitances C 10 and C 20 , taking into account the measured corrections ΔC 1 , ΔC 2, is equal to the ratio of the calibrated areas of the capacitors, which will be constant for any amount of liquid in the vessels. This allows you to compensate for the relative error in the measurement of areas and take into account the edge effects of the capacitor plates.
k - коэффициент отношения калиброванных площадей конденсаторов.k is the coefficient of the ratio of the calibrated areas of the capacitors.
Калиброванные значения площадей обкладок выражаются соотношениями:The calibrated values of the areas of the plates are expressed by the relations:
S1К=S1И±ΔS1 S2К=S2И±ΔS2 S 1K = S 1I ± ΔS 1 S 2K = S 2I ± ΔS 2
S1К - калиброванная площадь верхней обкладки первого конденсатора;S 1K is the calibrated area of the upper lining of the first capacitor;
S2К - калиброванная площадь верхней обкладки второго конденсатора;S 2K is the calibrated area of the upper lining of the second capacitor;
S1И - измеренное значение площади верхней обкладки в первом сосуде;S 1I - the measured value of the area of the upper lining in the first vessel;
S2И - измеренное значение площади верхней обкладки во втором сосуде;S 2I - the measured value of the area of the upper lining in the second vessel;
ΔS1 - ошибка измерения площади верхней обкладки в первом сосуде;ΔS 1 - error of measuring the area of the upper lining in the first vessel;
ΔS2 - ошибка измерения площади верхней обкладки во втором сосуде.ΔS 2 - error in measuring the area of the upper lining in the second vessel.
Сосуды изготавливаются одинаковыми по форме и объему. Верхние обкладки конденсаторов также желательно сделать идентичными. Коэффициент k можно определить через измеренные площади обкладок конденсаторов:Vessels are made the same in shape and volume. The upper plates of the capacitors are also desirable to make identical. The coefficient k can be determined through the measured areas of the capacitor plates:
При равной ошибке измерения площадей обкладок конденсаторов справедливы соотношения:With an equal error in measuring the areas of the capacitor plates, the following relations are true:
p=S1И/S2И - отношение измеренных площадей обкладок конденсаторов.p = S 1I / S 2I - the ratio of the measured areas of the capacitor plates.
Минимальная ошибка определения площадей обкладок конденсаторов соответствует случаям, когда равные ошибки имеют противоположные знаки:The minimum error in determining the areas of the capacitor plates corresponds to the cases when equal errors have opposite signs:
Знак ошибки площадей выбирается с учетом величин k и p. В случае k<p выбирается положительный знак для ошибки ΔS1 и отрицательный для ΔS2. Для случая k>p знаки ошибок заменяются на противоположные. Следует подчеркнуть, что коэффициент k определяется независимым отношением емкостей при калибровке, а коэффициент p определяется отношением измеренных площадей верхних обкладок конденсаторов. При другой комбинации знаков величина ошибок приближается к значению измеряемой площади, что для данной модели оценки ошибок является неправдоподобным и не рассматривается.The error sign of the areas is selected taking into account the values of k and p. In the case k <p, a positive sign for the error ΔS 1 and a negative sign for ΔS 2 are selected. For the case k> p, the error signs are replaced by the opposite. It should be emphasized that the coefficient k is determined by the independent ratio of capacities during calibration, and the coefficient p is determined by the ratio of the measured areas of the upper plates of the capacitors. With another combination of signs, the error value approaches the value of the measured area, which for this model of error estimation is implausible and is not considered.
Калиброванные значения емкостей в сосудах C1К (обкладки 8, 14) и C2К (обкладки 9, 15) определяются по измеренным частотам автогенераторов:The calibrated capacitance values in the vessels C 1K (
C1К=C10-ΔC1=1/(2πf10)2·L-1/(2πf1П)2·LC = 1K -ΔC 10 C 1 = 1 / (2πf 10) 2 · L-1 / (2πf 1H) 2 · L
C2К=C20-ΔC2=1/(2πf20)2·L-1/(2πf2П)2·LC = 2K -ΔC 20 C 2 = 1 / (2πf 20) 2 · L-1 / (2πf 2P) 2 · L
C1К - калиброванное значение емкости первого конденсатора;C 1K is the calibrated value of the capacitance of the first capacitor;
C2К - калиброванное значение емкости второго конденсатора;C 2K is the calibrated value of the capacitance of the second capacitor;
С10 - емкость первого конденсатора в режиме калибровки;With 10 - the capacity of the first capacitor in calibration mode;
С20 - емкость второго конденсатора в режиме калибровки;With 20 - the capacity of the second capacitor in calibration mode;
ΔС1 - паразитная емкость входа автогенератора и проводов для подключения конденсатора в первом сосуде;ΔС 1 - parasitic capacitance of the input of the oscillator and wires for connecting the capacitor in the first vessel;
ΔС2 - паразитная емкость входа автогенератора и проводов для подключения конденсатора во втором сосуде;ΔС 2 - parasitic capacitance of the input of the oscillator and wires for connecting the capacitor in the second vessel;
f10 - частота первого автогенератора в режиме калибровки; f 10 - frequency of the first oscillator in calibration mode;
f20 - частота второго автогенератора в режиме калибровки;f 20 - frequency of the second oscillator in calibration mode;
f1П - частота первого автогенератора в режиме определения паразитной емкости проводов и входа автогенератора;f 1P - the frequency of the first oscillator in the mode of determining the stray capacitance of the wires and the input of the oscillator;
f2П - частота второго автогенератора в режиме определения паразитной емкости проводов и входа автогенератора;f 2P - the frequency of the second oscillator in the mode of determining the stray capacitance of the wires and the input of the oscillator;
L=L1+L2 - суммарное значение индуктивности контура.L = L 1 + L 2 - the total value of the inductance of the circuit.
При калиброванном значении площадей обкладок конденсаторов и их емкостей можно прокалибровать уровень жидкости в сосудах при нулевом наклоне HК, который равен:With a calibrated value of the areas of the plates of the capacitors and their capacities, you can calibrate the liquid level in the vessels with a zero slope of H To , which is equal to:
Высота столба жидкости, налитой в сосуды, зависит и от диэлектрической проницаемости жидкости. В качестве жидкости предпочтительно выбрать воду. Она обладает высоким значением коэффициента диэлектрической проницаемости (~80), что позволяет сделать компактными размеры сосудов, и безопасна в работе. График зависимости диэлектрической проницаемости воды ε от температуры T приведен на фиг. 3 (приложение 2). Зависимость имеет вид: ε=0.00079T2-0.4Т+88. Относительная ошибка значения диэлектрической проницаемости составляет менее 10-7 во всем диапазоне рабочих температур. Ошибка измерения высоты HК складывается из ошибки определения площади конденсатора, ошибки измерения емкости и ошибки значения диэлектрической проницаемости.The height of the column of liquid poured into the vessels depends on the dielectric constant of the liquid. As a liquid, it is preferable to choose water. It has a high value of the coefficient of dielectric constant (~ 80), which makes it possible to compact the size of the vessels, and is safe to use. A plot of the dielectric constant of water ε as a function of temperature T is shown in FIG. 3 (Appendix 2). The dependence has the form: ε = 0.00079T 2 -0.4T + 88. The relative error of the dielectric constant is less than 10 -7 in the entire range of operating temperatures. The error in measuring the height H K consists of the error in determining the area of the capacitor, the error in measuring the capacitance, and the error in the value of the dielectric constant.
Калибровка площадей конденсаторов и их емкостей с использованием преобразования в частоту позволяет получить ошибку порядка 5×10-8. Ошибка измерения емкостей с помощью частотного преобразования составляет менее 10-7. Поэтому суммарная ошибка определения высоты HК с учетом калибровки не превышает 2×10-7. При оценке точности определения угла наклона следует также учесть ошибку определения расстояния между сосудами. Приборы измерения расстояния в интервале 50-100 см имеют относительную ошибку 10-5-10-6, что существенно ниже точности измерения других параметров устройства. Точность определения расстояния между сосудами можно также повысить за счет калибровки. Для этого устройство устанавливается на плоскость с фиксированным углом наклона. Поскольку остальные параметры устройства прокалиброваны с точностью лучше 10-7, то в формуле зависимости угла наклона неизвестным выбирается расстояние между сосудами, которое определяется с точностью, аналогичной измерению других параметров.Calibration of the areas of capacitors and their capacities using conversion to frequency allows us to obtain an error of the order of 5 × 10 -8 . The error in measuring capacitances using frequency conversion is less than 10 -7 . Therefore, the total error in determining the height H K taking into account the calibration does not exceed 2 × 10 -7 . When assessing the accuracy of determining the angle of inclination, one should also take into account the error in determining the distance between the vessels. Distance measuring devices in the range of 50-100 cm have a relative error of 10 -5 -10 -6 , which is significantly lower than the accuracy of measuring other parameters of the device. The accuracy of determining the distance between the vessels can also be improved by calibration. For this, the device is installed on a plane with a fixed angle of inclination. Since the other parameters of the device are calibrated with an accuracy better than 10 -7 , the distance between the vessels is selected in the formula for the dependence of the angle of inclination, which is determined with an accuracy similar to the measurement of other parameters.
Процесс измерения угла наклона иллюстрирует фиг. 2 (приложение 1). При указанном на фигуре наклоне часть жидкости из сосуда 7 по соединительной трубке 12 будет перетекать в сосуд 6 до установления одинакового уровня в обоих сосудах относительно уровня горизонта. При этом высота столба жидкости 10 в сосуде 6 относительно нулевого угла наклона увеличится на величину h, а высота столба жидкости 11 в сосуде 7 уменьшится на величину h, что приведет к изменению емкостей конденсаторов. Емкость конденсатора в сосуде 6 (обкладки 8, 14) уменьшится и составитThe tilt measurement process is illustrated in FIG. 2 (Appendix 1). With the slope indicated in the figure, part of the liquid from the
Емкость конденсатора в сосуде 7 (обкладки 9, 15) увеличится и составит:The capacitance in the vessel 7 (
Значения емкостей C1 и С2 позволяют определить величину изменения столба жидкости в сосудах h:The values of the capacities C 1 and C 2 make it possible to determine the magnitude of the change in the liquid column in the vessels h:
Величины емкостей С1 и С2 определяются по измеренным частотам автогенераторов:The capacitance values of C 1 and C 2 are determined by the measured frequencies of the oscillators:
C1=1/(2πf1)2L, C2=1/(2πf2)2LC 1 = 1 / (2πf 1 ) 2 L, C 2 = 1 / (2πf 2 ) 2 L
f1 - частота автогенератора 2 при измерении угла наклона плоскости;f 1 - the frequency of the
f2 - частота автогенератора 4 при измерении угла наклона плоскости;f 2 - the frequency of the
C1 - емкость первого конденсатора (обкладки 8, 14) при измерении угла наклона плоскости;C 1 - the capacity of the first capacitor (
C2 - емкость второго конденсатора (обкладки 9, 15) при измерении угла наклона плоскости;C 2 - the capacity of the second capacitor (
ΔC1 - паразитная емкость входа автогенератора 2 и проводов для подключения конденсатора в первом сосуде;ΔC 1 - parasitic capacitance of the input of the
ΔC2 - паразитная емкость входа автогенератора 4 и проводов для подключения конденсатора во втором сосуде;ΔC 2 - parasitic capacitance of the input of the
k - коэффициент отношения калиброванных площадей обкладок конденсаторов;k is the ratio of the calibrated areas of the capacitor plates;
L=L1+L2 - суммарное значение индуктивности контура.L = L 1 + L 2 - the total value of the inductance of the circuit.
Из тригонометрических соотношений следует, что угол наклона равен:From the trigonometric relations it follows that the angle of inclination is equal to:
где:Where:
φ - измеряемый угол наклона;φ is the measured angle of inclination;
HК - калиброванное значение высоты столба жидкости в сосуде;H K - calibrated value of the height of the liquid column in the vessel;
R - расстояние между сосудами, определяемое по линии между центрами их оснований;R is the distance between the vessels, determined by the line between the centers of their bases;
k - коэффициент отношения калиброванных площадей верхних обкладок конденсаторов;k is the coefficient of the ratio of the calibrated areas of the upper plates of the capacitors;
f1 - частота автогенератора 2 при измерении угла наклона;f 1 - the frequency of the
f2 - частота автогенератора 4 при измерении угла наклона;f 2 - the frequency of the
f1П - частота первого автогенератора в режиме определения паразитной емкости входа автогенератора и проводов для подключения конденсатора в первом сосуде;f 1P - the frequency of the first oscillator in the mode of determining the parasitic capacitance of the input of the oscillator and wires for connecting the capacitor in the first vessel;
f2П - частота второго автогенератора в режиме определения паразитной емкости входа автогенератора и проводов для подключения конденсатора во втором сосуде.f 2P - the frequency of the second oscillator in the mode of determining the parasitic capacitance of the input of the oscillator and wires for connecting the capacitor in the second vessel.
Современные приборы измерения емкости позволяют измерить ее величину с точностью 10-5 пФ. Измерение емкости с помощью предложенного технического решения повышает точность ее измерения, а, следовательно, и точность определения угла наклона плоскости, на два порядка, что подтверждается приведенной ниже оценкой.Modern capacitance measuring instruments make it possible to measure its value with an accuracy of 10 -5 pF. Measuring the capacitance using the proposed technical solution increases the accuracy of its measurement, and, consequently, the accuracy of determining the angle of inclination of the plane, by two orders of magnitude, which is confirmed by the estimate below.
Частота резонансной LC схемы и ее изменение от емкости определяются соотношениями:The frequency of the resonant LC circuit and its change from capacitance are determined by the relations:
При частоте автогенератора 1.5·107 Гц и точности ее измерения 0.1 Гц, емкости конденсатора 30 пФ, точность измерения емкости составит dC=4·10-7 пФ. Стандартные приборы измерения частоты имеют точность измерения 10-3 Гц, поэтому точность измерения емкости 10-7 пФ вполне достижима. Основной вклад в ошибку измерения угла наклона будет вносить точность измерения расстояния между сосудами R, которая в результате калибровки также существенно улучшается.When the oscillator frequency is 1.5 · 10 7 Hz and its measurement accuracy is 0.1 Hz, the capacitor is 30 pF, the accuracy of the capacitance measurement will be dC = 4 · 10 -7 pF. Standard frequency measuring instruments have an accuracy of 10 -3 Hz, therefore, an accuracy of 10 -7 pF is quite achievable. The main contribution to the error in measuring the angle of inclination will be made by the accuracy of measuring the distance between vessels R, which also improves significantly as a result of calibration.
Для учета влияния температуры одновременно с измерением емкостей конденсаторов измеряют температуру окружающей среды и корректируют погрешность изменения столба жидкости в сосудах, связанную с температурным расширением используемой жидкости и материала сосудов, исходя из их известной зависимости от температуры, а угол наклона вычисляют по формуле:To take into account the influence of temperature, the ambient temperature is measured simultaneously with the measurement of capacitors, and the error in the change in the liquid column in the vessels, which is associated with the temperature expansion of the used liquid and vessel material, is adjusted based on their known temperature dependence, and the angle of inclination is calculated by the formula:
где:Where:
φ - измеряемый угол наклона плоскости;φ is the measured angle of inclination of the plane;
HК - калиброванное значение высоты столба жидкости в сосуде;H K - calibrated value of the height of the liquid column in the vessel;
R - расстояние между сосудами, определяемое по линии между центрами их оснований;R is the distance between the vessels, determined by the line between the centers of their bases;
Т - температура окружающей среды при измерении угла наклона;T is the ambient temperature when measuring the angle of inclination;
ТК - температура окружающей среды при калибровке;T To - the ambient temperature during calibration;
αж(T) - значение коэффициента температурного расширения жидкости при температуре измерения угла наклона;α W (T) - the value of the coefficient of thermal expansion of the liquid at a temperature measuring the angle of inclination;
αж(ТК) - значение коэффициента температурного расширения жидкости при температуре калибровки;α W (T K ) - the value of the coefficient of thermal expansion of the liquid at the calibration temperature;
αс(Т) - значение коэффициента температурного расширения материала сосуда при температуре измерения угла наклона;α c (T) is the value of the coefficient of thermal expansion of the vessel material at the temperature of measuring the angle of inclination;
αс(TК) - значение коэффициента температурного расширения материала сосуда при температуре калибровки;α s (T K ) is the value of the coefficient of thermal expansion of the vessel material at the calibration temperature;
f1 - частота первого автогенератора при измерении угла наклона;f 1 - the frequency of the first oscillator when measuring the angle of inclination;
f2 - частота второго автогенератора при измерении угла наклона;f 2 - the frequency of the second oscillator when measuring the angle of inclination;
f1П - частота первого автогенератора в режиме определения паразитной емкости входа автогенератора и проводов для подключения конденсатора в первом сосуде;f 1P - the frequency of the first oscillator in the mode of determining the parasitic capacitance of the input of the oscillator and wires for connecting the capacitor in the first vessel;
f2П - частота второго автогенератора в режиме определения паразитной емкости входа автогенератора и проводов для подключения конденсатора во втором сосуде.f 2P - the frequency of the second oscillator in the mode of determining the parasitic capacitance of the input of the oscillator and wires for connecting the capacitor in the second vessel.
Для реализации устройства известны требующиеся приборы и детали. Стеклянную трубку, соединяющую сосуды, можно выбрать в каталоге и заказать в компании SCHOT Tubing [7]. Малый диаметр трубки позволяет компенсировать вибрацию жидкости. Компания выпускает трубки диаметром 1-10 мм и длиной до 3 м. Точность измерения температуры с помощью цифрового термометра РМТЕМР1 [8] равна 0.2° и отвечает предъявляемым требованиям. В качестве прибора измерения частоты можно использовать частотомер фирмы Agilent Technologies 53131А [9], который позволяет регистрировать частоту с точностью 5·10-4 Гц. На фиг. 4 (приложение 3) приведен вариант схемы автогенератора. Отличительной особенностью схемы является высокая стабильность частоты и слабое влияние температуры. В схеме отсутствуют резисторы, наиболее подверженные температурному влиянию, а операционные усилители должны выбираться с учетом наличия в их схеме внутренней температурной компенсации.To implement the device, the required devices and parts are known. The glass tube connecting the vessels can be selected in the catalog and ordered from SCHOT Tubing [7]. The small diameter of the tube allows you to compensate for the vibration of the liquid. The company produces tubes with a diameter of 1-10 mm and a length of 3 m. The accuracy of temperature measurement using a digital thermometer РМТЕМР1 [8] is 0.2 ° and meets the requirements. As a frequency measuring device, you can use a frequency meter from Agilent Technologies 53131A [9], which allows you to register the frequency with an accuracy of 5 · 10 -4 Hz. In FIG. 4 (Appendix 3) shows a variant of the oscillator circuit. A distinctive feature of the circuit is its high frequency stability and low temperature effect. There are no resistors in the circuit that are most susceptible to temperature influence, and operational amplifiers should be selected taking into account the presence of internal temperature compensation in their circuit.
ЛитератураLiterature
[1] Датчик угла наклона NB3 фирмы SEIKA Mikrosystemtechnik GmbH,[1] NB3 angle sensor from SEIKA Mikrosystemtechnik GmbH,
www.prosensor.ru/article63.htmlwww.prosensor.ru/article63.html
[2] Патент на изобретение №2397443 RU[2] Patent for invention No. 2397443 RU
[3] Патент на изобретение №2455616 RU[3] Patent for invention No. 2455616 RU
[4] Патент на изобретение №2521270 RU[4] Patent for invention No. 2521270 RU
[5] The Compact Linear Collider[5] The Compact Linear Collider
http://clic-study.orghttp://clic-study.org
[6] "CLIC design, parameters and layout"[6] "CLIC design, parameters and layout"
http://clic-study.orghttp://clic-study.org
[7] Стеклянные трубки компании SCHOT Tubing[7] SCHOT Tubing Glass Tubes
www.schot.comwww.schot.com
[8] Термометр цифровой PMTEMP1[8] Digital thermometer PMTEMP1
www.chipdip.ruwww.chipdip.ru
[9] Частотомер 53131A, Agilent Technologies.[9] Frequency Counter 53131A, Agilent Technologies.
Claims (2)
где:
φ - измеряемый угол наклона плоскости;
k - коэффициент отношения калиброванных площадей обкладок конденсаторов;
HK - калиброванное значение высоты столба жидкости в сосудах;
R - расстояние между сосудами, определяемое по линии между центрами их оснований;
ε0 - диэлектрическая постоянная вакуума;
ε - диэлектрическая проницаемость жидкости;
S1K - калиброванная площадь верхней обкладки конденсатора в первом сосуде;
S2k - калиброванная площадь верхней обкладки конденсатора во втором сосуде;
L=L1+L2 - суммарное значение индуктивности LC схемы;
f1K - частота первого автогенератора при калибровке;
f2K - частота второго автогенератора при калибровке;
f1П _ частота первого автогенератора в режиме определения паразитной емкости его и соединительных проводов;
f2П - частота второго автогенератора в режиме определения паразитной емкости его входа и соединительных проводов;
f1 - частота первого автогенератора при измерении угла наклона плоскости;
f2 - частота второго автогенератора при измерении угла наклона плоскости.1. A device for measuring the angle of inclination of a plane formed by a horizon line and a line passing through the centers of the base of the vessels, containing two liquid capacitors, each of which is a vessel of dielectric material, communicating with each other using a connecting tube and located at a certain distance relative to each other each other on a common substrate, with the lower plates of the capacitors connected to the zero potential of the device, and the upper plates floating on the surface of the liquid, distinguishing Since two oscillators, a device for measuring the frequency and two inductances of a fixed value, each of which is connected to the top plate of the corresponding capacitor, are introduced into the device, the inductances together with the capacitors of the capacitors form resonant LC circuits that are connected to the frequency-sensing inputs of the oscillators, and the outputs of the oscillators connected to the device for simultaneous measurement of the frequency of oscillators, the values of which allow you to calculate the angle of inclination of the plane according to the formula:
Where:
φ is the measured angle of inclination of the plane;
k is the ratio of the calibrated areas of the capacitor plates;
H K is the calibrated value of the height of the liquid column in the vessels;
R is the distance between the vessels, determined by the line between the centers of their bases;
ε 0 is the dielectric constant of the vacuum;
ε is the dielectric constant of the liquid;
S 1K is the calibrated area of the upper capacitor plate in the first vessel;
S 2 k is the calibrated area of the upper plate of the capacitor in the second vessel;
L = L 1 + L 2 - the total value of the inductance of the LC circuit;
f 1K is the frequency of the first oscillator during calibration;
f 2K is the frequency of the second oscillator during calibration;
f 1P _ the frequency of the first oscillator in the mode of determining the parasitic capacitance of it and the connecting wires;
f 2P - the frequency of the second oscillator in the mode of determining the parasitic capacitance of its input and connecting wires;
f 1 - the frequency of the first oscillator when measuring the angle of inclination of the plane;
f 2 - the frequency of the second oscillator when measuring the angle of inclination of the plane.
Где:
φ - измеряемый угол наклона плоскости;
HK - калиброванное значение высоты столба жидкости в сосуде;
R - расстояние между сосудами, определяемое по линии между центрами их оснований;
ТK - фиксированная температура при калибровке;
αж(Т) - значение коэффициента температурного расширения жидкости при температуре измерения угла наклона плоскости;
αж(ТK) - значение коэффициента температурного расширения жидкости при температуре калибровки;
αс(Т) - значение коэффициента температурного расширения материала сосуда при температуре измерения угла наклона;
αс(TK) - значение коэффициента температурного расширения материала сосуда при температуре калибровки;
k - коэффициент отношения калиброванных площадей обкладок конденсаторов;
f1 - частота первого автогенератора при измерении угла наклона плоскости;
f2 - частота второго автогенератора при измерении угла наклона плоскости;
f1П - частота первого автогенератора в режиме определения паразитной емкости его входа и соединительных проводов;
f2П - частота второго автогенератора в режиме определения паразитной емкости его входа и соединительных проводов. 2. The device according to claim 1, characterized in that taking into account the ambient temperature directly during measurement, the value of the angle of inclination is adjusted by the formula:
Where:
φ is the measured angle of inclination of the plane;
H K is the calibrated value of the height of the liquid column in the vessel;
R is the distance between the vessels, determined by the line between the centers of their bases;
T K - fixed temperature during calibration;
α W (T) - the value of the coefficient of thermal expansion of the liquid at a temperature measuring the angle of inclination of the plane;
α W (T K ) - the value of the coefficient of thermal expansion of the liquid at the calibration temperature;
α c (T) is the value of the coefficient of thermal expansion of the vessel material at the temperature of measuring the angle of inclination;
α s (T K ) is the value of the coefficient of thermal expansion of the vessel material at the calibration temperature;
k is the ratio of the calibrated areas of the capacitor plates;
f 1 - the frequency of the first oscillator when measuring the angle of inclination of the plane;
f 2 - the frequency of the second oscillator when measuring the angle of inclination of the plane;
f 1P - the frequency of the first oscillator in the mode of determining the parasitic capacitance of its input and connecting wires;
f 2P - the frequency of the second oscillator in the mode of determining the parasitic capacitance of its input and connecting wires.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014148722/28A RU2577804C1 (en) | 2014-12-04 | 2014-12-04 | Device for measuring angle of inclination plane |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014148722/28A RU2577804C1 (en) | 2014-12-04 | 2014-12-04 | Device for measuring angle of inclination plane |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2577804C1 true RU2577804C1 (en) | 2016-03-20 |
Family
ID=55648018
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014148722/28A RU2577804C1 (en) | 2014-12-04 | 2014-12-04 | Device for measuring angle of inclination plane |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2577804C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112284340A (en) * | 2020-09-25 | 2021-01-29 | 南京信息职业技术学院 | Disc spring capacitance type inclination angle tester and testing method |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5802728A (en) * | 1995-08-17 | 1998-09-08 | Watson Industries, Inc. | Liquid level and angle detector |
| RU2215992C2 (en) * | 2001-10-26 | 2003-11-10 | Ульяновский государственный технический университет | Transmitter of angle of deviation of object from horizontal position |
| RU2330241C1 (en) * | 2007-02-01 | 2008-07-27 | Открытое акционерное общество "Конструкторское бюро специального машиностроения" | Sensor for measuring inclination angles of object |
| JP2009117177A (en) * | 2007-11-06 | 2009-05-28 | Panasonic Electric Works Co Ltd | Tilt sensor |
| RU2455616C1 (en) * | 2011-05-16 | 2012-07-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Опытное Производство "Технологии Контроля" (ООО "ОП "ТЕКО") | Method of determining tilt angle and apparatus for realising said method |
| RU2521270C1 (en) * | 2013-01-22 | 2014-06-27 | Объединенный Институт Ядерных Исследований | Method to define plane inclination angle |
-
2014
- 2014-12-04 RU RU2014148722/28A patent/RU2577804C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5802728A (en) * | 1995-08-17 | 1998-09-08 | Watson Industries, Inc. | Liquid level and angle detector |
| RU2215992C2 (en) * | 2001-10-26 | 2003-11-10 | Ульяновский государственный технический университет | Transmitter of angle of deviation of object from horizontal position |
| RU2330241C1 (en) * | 2007-02-01 | 2008-07-27 | Открытое акционерное общество "Конструкторское бюро специального машиностроения" | Sensor for measuring inclination angles of object |
| JP2009117177A (en) * | 2007-11-06 | 2009-05-28 | Panasonic Electric Works Co Ltd | Tilt sensor |
| RU2455616C1 (en) * | 2011-05-16 | 2012-07-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Опытное Производство "Технологии Контроля" (ООО "ОП "ТЕКО") | Method of determining tilt angle and apparatus for realising said method |
| RU2521270C1 (en) * | 2013-01-22 | 2014-06-27 | Объединенный Институт Ядерных Исследований | Method to define plane inclination angle |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112284340A (en) * | 2020-09-25 | 2021-01-29 | 南京信息职业技术学院 | Disc spring capacitance type inclination angle tester and testing method |
| CN112284340B (en) * | 2020-09-25 | 2022-06-14 | 南京信息职业技术学院 | Disc spring capacitance type inclination angle tester and testing method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4641434A (en) | Inclination measuring device | |
| US4422243A (en) | Dual axis capacitive inclination sensor | |
| JP5934562B2 (en) | Liquid level detector | |
| Hu et al. | An annular planar-capacitive tilt sensor with a 360° measurement range | |
| JPH0337501A (en) | Electrostatic capacitance type detecting apparatus | |
| US20110161008A1 (en) | Land settlement measuring apparatus and system | |
| Chakraborty et al. | Study on further modification of non-contact capacitance type-level transducer for a conducting liquid | |
| JPS61126414A (en) | Tilt angle measuring instrument | |
| CN207600446U (en) | A kind of high-precision pendulum field intensity type inclination measurement device for monitoring | |
| RU2577804C1 (en) | Device for measuring angle of inclination plane | |
| RU2521270C1 (en) | Method to define plane inclination angle | |
| JPH0476408B2 (en) | ||
| Tiep et al. | Tilt sensor based on three electrodes dielectric liquid capacitive sensor | |
| JP2018520361A (en) | System for measuring bus bar voltage | |
| CN203216884U (en) | Linear expansion coefficient experimental apparatus for metals | |
| JP5917583B2 (en) | Impedance measuring method, impedance measuring device | |
| CN203704919U (en) | Differential liquid capacitor tilt sensor | |
| CN208155402U (en) | A kind of low-temp. liquid-level meter | |
| JP6132482B2 (en) | Liquid level detector | |
| Chakraborty et al. | An innovative method for the measurement of liquid level of a conducting liquid | |
| Khan et al. | A non-contact capacitance type level transducer for liquid characterization | |
| Los et al. | A sensitive differential manometer | |
| Narayana et al. | Design and development of improved linearized network based liquid level transmitter | |
| RU2113694C1 (en) | Device for measuring the conducting medium level | |
| CN109870103A (en) | A kind of electronics ruler for railway track joint maintenance test |