Измерение угла отклонения объекта от горизонтального положения Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ПРИБОРОСТРОЕНИЕ

Научная статья УДК 621.317.39

Измерение угла отклонения объекта от горизонтального положения Вячеслав Николаевич Шивринский

Ульяновский государственный технический университет, Ульяновск, Россия

Аннотация. Рассматривается жидкостный ёмкостный датчик для определения углового положения объекта относительно горизонтальной плоскости.

Ключевые слова: угол наклона, ёмкостный датчик, жидкий диэлектрик, сообщающиеся сосуды, измерительная схема

INSTRUMENT ENGINEERING Scientific article

Measuring the angle of deviation of an object from a horizontal position Vyacheslav N. Shivrinsky

Abstract. A liquid capacitive sensor is considered to determine the angular position of an object relative to the horizontal plane

Keyword: tilt angle, capacitive sensor, liquid dielectric, communicating vessels, measuring circuit

В промышленности, в строительстве, на транспорте для определения углового положения объекта относительно горизонтальной плоскости используются различные методы измерения. Известен датчик [1], состоящий из стеклянного баллона, в который вварены платиновые электроды, заполненного токопроводящей жидкостью. Имеющийся в баллоне пузырёк воздуха перемещается между электродами при наклоне датчика относительно горизонтального положения. При этом изменяется поверхность контактов, через которую проходит ток, и электрическая проводимость токопроводящего слоя.

Достоинства такого датчика - простота конструкции, возможность пропускания сравнительно больших токов, достаточных для работы измерительного прибора без дополнительного усиления. К недостаткам можно отнести сильную зависимость сопротивления электролита от температуры (при изменении температуры на 1°С удельное сопротивление электролита изменяется на 1,5-2,5%) и от степени концентрации раствора.

От недостатков электролитических датчиков свободен жидкостный ёмкостный датчик [2],

© Шивринский В. Н., 2022

изображённый на рис. 1. Он содержит: втулку 6; общие электроды 1, 2, образующие герметичный корпус; выходные электроды 3, 4, размещённые между общими электродами 1, 2 и изолированные от них и между собой изоляционной прокладкой 7; жидкий диэлектрик 5, занимающий половину объёма внутренней полости датчика.

При наклоне датчика изменяются площади перекрытия выходных электродов 3, 4 жидким диэлектриком 5, приводящие к изменению ёмкостей дифференциального конденсатора Сь С2. С увеличением диаметра датчика его чувствительность увеличивается. Так для диаметра 50 мм чувствительность составила

0,035 пФ/градус, а для диаметра 90 мм -1,2 пФ/градус.

Для увеличения чувствительности при измерении малых углов отклонения объекта от горизонтального положения автором предлагается конструкция датчика прямоугольной формы, в котором размещены два сообщающихся сосуда с расстоянием между ними Ь, а внутри каждого сосуда установлен свой выходной электрод.

На рис. 2 представлена схема такого датчика. Датчик содержит первый 1 и второй 2 общие электроды и два выходных электрода 3 и 4, которые помещены в жидкий диэлектрик 5. Второй общий электрод 2 соединён с первым общим

Рис. 1. Жидкостный ёмкостный датчик: горизонтальное (а) и наклонное (в) положения,

б) - разрез по сечению А-А

L

Рис. 2. Датчик угла отклонения объекта от горизонтального положения

электродом 1 металлической прокладкой 6, образуя герметичный корпус. Внутри корпуса датчика посредством изоляционной прокладки 7 закреплены два выходных электрода 3 и 4. Выходные электроды 3 и 4, расположенные в сообщающихся с помощью каналов 10 сосудах 8 и 9, образуют с первым 1 и вторым 2 общими электродами дифференциальный конденсатор. Все электроды выполнены в виде плоских пластин. Половина объёма внутренней полости датчика между общими электродами 1, 2 и выходными электродами 3, 4 заполнена жидким диэлектриком 5.

Принцип действия датчика состоит в измерении электрической ёмкости дифференциального конденсатора Сь С2, образованного общими электродами 1, 2, выходными электродами 3, 4 и жидким диэлектриком 5. Ёмкость С плоского конденсатора с площадью взаимного перекрытия электродов S, параллельно расположенных на расстоянии 5 в среде с диэлектрической проницаемостью в, определяется выражением С = в^/5.

Ёмкость конденсатора С линейно зависит от в и S. Так как жидкий диэлектрик 5 занимает половину объёма сообщающихся с помощью кана-

лов 10 сосудов 8, 9 и имеет диэлектрическую проницаемость, отличную от диэлектрической проницаемости воздуха, то при наклоне датчика будет изменяться площадь перекрытия электродов 1, 2, 3, 4 в зазоре 5, занимаемым жидким диэлектриком 5.

Устройство работает следующим образом. При горизонтальном положении датчика ёмкости дифференциального конденсатора Сь С2 равны между собой. При этом в зазоре 5, занимаемым жидким диэлектриком 5, площадь перекрытия электродов 1, 2 и 3 равна площади перекрытия электродов 1, 2 и 4. При отклонении датчика от горизонтального положения изменяются площади перекрытия электродов 1, 2 и 3, 4 в зазоре, занимаемым жидким диэлектриком 5.

Пример расположения выходных электродов 3, 4 и жидкого диэлектрика 5 при наклоне датчика на угол а для двух значений расстояния Ь представлен на рис. 3. Здесь приняты следующие обозначения: 11 - уровень жидкого диэлектрика 5 при горизонтальном положении датчика; 12 -уровень жидкого диэлектрика 5 при наклонном

Рис. 3. Отклонение датчика от горизонтального положения

Рис. 4. Ёмкостно-диодная измерительная схема

положении датчика; 3', 4' - выходные электроды 3, 4, расположенные на расстоянии Ь'; ДS3', Л$4' - изменения площади перекрытия электродов 3', 4' жидким диэлектриком 5; 3", 4" - выходные электроды 3, 4, расположенные на расстоянии Ь"; ДS3", ЛS4" - изменения площади перекрытия электродов 3", 4" жидким диэлектриком 5.

При постоянном угле наклона датчика изменение дифференциальной ёмкости С1, С2 зависит от расстояния Ь между сосудами 8, 9. При увеличении расстояния между сообщающимися сосудами чувствительность датчика к углу отклонения от горизонтального положения возрастает.

Ёмкости С1, С2 изменяются дифференциально, поэтому целесообразно применить ёмкостно-диодную измерительную схему, представленную на рис. 4 [2, патент РФ № 2173859].

Источник переменного тока напряжением Ц_ подсоединён к точкам 1 и 2 через разделительный конденсатор С5. Конденсатор С1 подключён к точкам 1 и 2 через диод D1. Накопительный конденсатор С3 подсоединён к точкам 1 и 2 через резистор R1, а к конденсатору С1 - через диод D2. Конденсатор С2 подключён к точкам 1 и 2 через диод D3. Второй накопительный конденсатор С4 подсоединён к точкам 1 и 2 через резистор R2, а к конденсатору С2 - через диод D4. К точкам 1 и 2 подсоединён также фильтр нижних частот, со-

стоящий из последовательно соединённых резистора R3 и конденсатора С6. Параллельно конденсатору С6 включено сопротивление нагрузки И4, с которого и снимается выходной сигнал

ивых.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Асс Б. А., Антипов Е. Ф., Жукова Н. М. Детали авиационных приборов. М. : Машиностроение, 1979. 232 с.

2. Патент РФ № 2215992. Датчик угла отклонения объекта от горизонтального положения / Г. В. Медведев, В. А. Мишин, В. Н. Шивринский и В. В. Трибунский. МПК G01C 9/20, 9/06. Заявка: 2001128914/28, 26.10.2001. Опубликовано 10.11.2003. Бюллетень №31.

3. Патент РФ № 2173859. Устройство для измерения емкости конденсатора / Г. В. Медведев, В. А. Мишин и В. Н. Шивринский. МПК G01R 27/26. Заявка: 2000128165/09, 10.11.2000. Опубликовано 20.09.2001. Бюллетень №26.

Информация об авторе

В. Н. Шивринский - кандидат технических наук, доцент кафедры «Измерительно-вычисли-тельные комплексы» УлГТУ. Имеет научные работы в области авиационного приборостроения.

REFERENCES

1. Ass B. A., Antipov E. F., Zhukova N. M. Detali aviacionnyh priborov [Aviation Instrument Parts]. Moscow, Mashinostroenie, 1979, 232 p.

2 Patent RF [Patent of the Russian Federation] No. 2215992. Datchik ugla otkloneniya ob"ekta ot gorizontal'nogo polozheniya [Sensor for the angle of deviation of an object from a horizontal position]. G. V. Medvedev, V. A. Mishin, V. N. Shivrinsky and V. V. Tribunsky. IPC G01C 9/20, 9/06. Zayavka [Application]: 2001128914/28, 10/26/2001. Opublikovano [Published] 11/10/2003. Bulletin No. 31.

3. Patent RF [RF patent] No. 2173859. Ustrojstvo dlya izmereniya emkosti kondensatora [Device for measuring the capacitance of a capacitor] / G. V. Medvedev, V. A. Mishin and V. N. Shivrinsky. IPC G01R 27/26. Zayavka [Application]: 2000128165/09, 11/10/2000. Opublikovano [Published on] 20.09.2001. Bulletin No. 26.2.

Information about the author V. N. Shivrinsky - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department "Measuring and Computing complexes" of UlSTU. He has scientific works in the field of aviation instrumentation.

Статья поступила в редакцию 04.05.2022; одобрена после рецензирования 20.05.2022; принята к публикации 28.05.2022.

The article was submitted 04.05.2022; approved after reviewing 20.04.2022; accepted for publication 28.05.2022.