устройство для измерения величины и направления угла наклона объекта

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ И НАПРАВЛЕНИЯ УГЛА НАКЛОНА ОБЪЕКТА, содержащее корпус с установленным в нем телом вращения с возможностью вращения вокруг оси, перпендикулярной к основанию корпуса, однокоординатный наклономер, установленный на теле вращения, и указатель угла поворота тела вращения, отличающееся тем, что однокоординатный наклономер выполнен в виде инерционного элемента, подвешенного на двух эластичных упругих шнурах, жилы которых выполнены в виде петель нитей из электропроводной резины, устройство дополнительно снабжено двумя стабилизаторами тока, двумя вольтметрами постоянного напряжения, измерителем разности напряжений, задатчиком веса инерционного элемента и коэффициента жесткости шнуров, блоком вычисления угла наклона и трехканальным блоком индикации и регистрации, при этом концы каждой нити упругих шнуров соединены с выходами стабилизатора тока и входами вольтметров постоянного и переменного напряжения, выходы вольтметров постоянного напряжения соединены с первым и вторым входами блока вычисления угла наклона, третий вход которого соединен с выходом задатчика, а выход соединен с первым входом трехканального блока индикации и регистрации, выходы вольтметров переменного напряжения соединены с входами измерителя разности, выход которого соединен с вторым входом трехканального блока индикации и регистрации, третий вход которого соединен с выходом второго вольтметра переменного напряжения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной автоматике, а более конкретно к средствам автоматического контроля угла наклона добычных и проходческих комбайнов, и может быть использовано при автоматизации процессов добычи или проходки в угольных, железорудных, соляных и других шахтах при подземной добыче или проходке, а также для измерения углов наклона роторных экскаваторов, перегружателей, забойных и подземных конвейеров и других горных машин.

Известно устройство для определения угла наклона объекта, содержащее корпус, подвешенные в нем соосно и независимо измерительный и дополнительный маятники, на каждом из которых установлены по два постоянных магнита с рабочими плоскостями, и преобразователь, которое для повышения точности снабжено юстировочными узлами, закрепленными на измерительном и дополнительном маятниках и жестко связанными с соответствующими магнитами. Каждый из юстировочных узлов на измерительном маятнике выполнен в виде резьбовой головки, ось которой перпендикулярна рабочей плоскости магнита. Каждый из юстировочных узлов на дополнительном маятнике выполнен в виде стержня с полусферическими головками на каждом из его концов, контактирующими с конусными элементами, жестко связанными с маятником, причем одна из головок в каждом из узлов жестко скреплена с магнитом [1]

Недостатками известного устройства являются низкая точность измерения угла наклона и невозможность измерения величины и направления угла наклона одновременно.

Известно устройство для измерения величины и направления угла наклона объекта, содержащее корпус с установленным в нем телом вращения, центр тяжести которого смещен относительно его геометрического центра, и однокоординатный наклономер, установленный на теле вращения, а также указатель угла поворота, в котором для повышения точности и упрощения тело вращения установлено в корпусе с возможностью вращения вокруг оси, перпендикулярной основанию корпуса, а однокоординатный наклономер ориентирован рабочей координатой в напpавлении эксцентриситета тела вращения [2]

Недостатками известного устройства являются невозможность измерения вибраций объекта, низкая точность измерения угла наклона из-за малой чувствительности и сложная конструкция из-за наличия сложных и ненадежных движущихся механизмов.

Технический результат достигается тем, что устройство для измерения величины и направления угла наклона объекта, содержащее корпус с установленным в нем телом вращения с возможностью вращения вокруг оси, перпендикулярной основанию корпуса, однокоординатный наклономер, установленный на теле вращения, и указатель угла поворота тела вращения, при этом однокоординатный наклономер выполнен в виде инерционного элемента, подвешенного на двух эластичных упругих шнурах, жилы которых выполнены в виде петель нитей из электропроводной резины, снабжено двумя стабилизаторами тока, двумя вольтметрами постоянного напряжения, двумя вольтметрами переменного напряжения, измерителем разности напряжений, задатчиком веса инерционного элемента и коэффициента жесткости шнуров, блоком вычисления угла наклона и трехканальным блоком индикации и регистрации, при этом концы каждой нити упругих шнуров соединены с выходами стабилизатора тока и входами вольтметров постоянного и переменного напряжения, выходы вольтметров постоянного напряжения соединены с первым и вторым входами блока вычисления угла наклона, третий вход которого соединен с выходом задатчика, а выход соединен с первым входом трехканального блока индикации и регистрации, выходы вольтметров переменного напряжения соединены с входами измерителя разности, выход которого соединен с вторым входом трехканального блока индикации и регистрации, третий вход которого соединен с выходом второго вольтметра переменного напряжения.

Сущность изобретения состоит в преодолении технического противоречия, заключающегося в следующем. При обычном инженерном проектировании, в отличие от изобретательства, для расширения функциональных возможностей устройство снабжают дополнительным датчиком для измерения дополнительного параметра, но при этом усложнятся устройство и падает надежность его работы по внезапным отказам. С другой стороны, при обычном инженерном проектировании для повышения точности измерений прибегают к измерению влияющего параметра дополнительным датчиком и вводят корректирующий сигнал, вводят дополнительные блоки фильтрации и стабилизации, используют резонансные эффекты и явления и так далее, но при всех этих повышениях точности усложняется устройство и падает надежность его работы по внезапным отказам. Оба этих технических противоречия в предлагаемом устройстве преодолены одновременно расширены функциональные возможности за счет обеспечения измерений вибраций и повышена точность измерений угла наклона и амплитуды вибраций при одновременном упрощении устройства за счет исключения движущихся механизмов и повышении надежности его работы по внезапным отказам. Для преодоления этих технических противоречий необходимы и достаточны следующие отличительные признаки устройства: два стабилизатора тока; два вольтметра постоянного напряжения; два вольтметра переменного напряжения; измеритель разности; задатчик; блок вычисления угла наклона; трехканальный блок индикации и регистрации; однокоординатный наклономер выполнен в виде инерционного элемента, подвешенного на двух горизонтальных эластичных упругих шнурах, жилы которых выполнены в виде петель нитей из электропроводной резины; концы каждой нити соединены с входами вольтметров переменного и постоянного напряжения; концы каждой нити соединены с выходами стабилизаторов тока; выходы вольтметров постоянного напряжения соединены с первым и вторым входами блока вычисления угла наклона; выход задатчика соединен с третьим входом блока вычисления угла наклона; выход блока вычисления угла наклона соединен с первым входом трехканального блока индикации и регистрации; выходы вольтметров переменного напряжения соединены с входами измерителя разности напряжений; выход измерителя разности напряжений соединен с вторым входом трехканального блока индикации и регистрации; третий вход трехканального блока индикации и регистрации соединен с выходом второго вольтметра переменного напряжения.

На фиг. 1 показано устройство, вид сверху; на фиг.2 то же, вид сбоку и функциональная схема устройства; на фиг.3 диаграмма действующих на инерционный элемент сил и геометрия расчетов величины и направления угла наклона; на фиг.4 зависимости сигналов на выходах вольтметров переменного напряжения U₁ и U₂ и сигнала U₃ на выходе измерителя разности.

Устройство для измерений величины и направления угла наклона объекта содержит корпус 1 с установленным в нем телом 2 вращения с возможностью вращения вокруг оси, перпендикулярной основанию корпуса 1, однокоординатный наклономер, установленный на теле 2 вращения, и указатель 3 угла поворота тела вращения.

Устройство снабжено двумя стабилизаторами 4 и 5 тока, двумя вольтметрами 6 и 7 постоянного напряжения, двумя вольтметрами 8 и 9 переменного напряжения, измерителем 10 разности, задатчиком 11, блоком 12 вычисления угла наклона и трехканальным блоком 13 индикации и регистрации.

Однокоординатный наклономер выполнен в виде инерционного элемента 14, подвешенного на двух параллельных корпусу 1 эластичных упругих шнурах 15 и 16, жилы (нити) 17 и 18 которых выполнены в виде петель нитей из электропроводной резины. Концы 19 и 20, 21 и 22 каждой нити соединены с выходами стабилизаторов 4 и 5 тока и входами вольтметров 6-9 постоянного и переменного напряжения. Выходы вольтметров 8 и 9 переменного напряжения соединены с входами измерителя 10 разности. Выходы вольтметров 6 и 7 постоянного напряжения соединены с первым и вторым входами блока 12 вычислений угла наклона, третий вход которого соединен с выходом задатчика 11. Выход блока 12 вычисления угла наклона соединен с первым входом трехканального блока 13 индикации и регистрации. Выход измерителя 10 разности соединен с вторым входом трехканального блока 13 индикации и регистрации, третий вход которого соединен с выходом второго вольтметра 9 переменного напряжения.

Одни концы шнуров 15 и 16 без электрического контакта жил 17 и 18 прикреплены к инерционному элементу 14, например, через изоляционные прокладки 23 и 24, изолирующие торцы 25 и 26 нитей от элемента 14. Другие концы шнуров 15 и 16 закреплены на концах 27 и 28 С-образной рамы 29, а концы 19 и 20, 21 и 22 нитей без электрического контакта пропущены через концы 27 и 28 рамы 29. Жилы 17 и 18 шнуров 15 и 16 помещены в изоляционные оболочки 30 и 31 и изолированы друг от друга прокладками 32 и 33. Рама 29 жестко крепится на объекте (горной машине) 34.

Сущность измерения угла наклона горной машины поясняется приведенной на фиг. 3 диаграммой действующих на инерционный элемент 14 сил. Инерционный элемент 14 находится (в общем случае) в точке 0 при угле наклона горной машины к горизонту . Инерционный элемент уравновешивается в любой момент времени суммой трех действующих на него сил: силы тяжести Р, направленной вертикально вниз и численно равной Р mg, где m масса; g ускорение силы земного тяготения; силы натяжения F₁ шнура 15, численно равной произведению удлинения шнура l₁ на его жесткость К, т.е. F₁ K ^. l₁; силы натяжения F₂ шнура 16, численно равной произведению удлинения шнура l₂ на его жесткость К, т. е. F₂ K ^. l₂. Инерционный элемент 14 находится в равновесии, когда результирующая сил F₁ и F₂ уравновешивает силу тяжести Р. Результирующая сил F₁ и F₂ легко находится по правилу параллелограмма ADBO, диагональю которого является результирующая сила F_c, причем F_c -P. Искомый угол наклона определяют следующим образом. Из треугольника АОС согласно теореме косинусов запишем

F²₁ AB²+ P²- ABP cos C (1)

Отсюда определим значение угла C

cos C AB²+ P²-F2PAB (2)

Из треугольника MNL видим, что = 90^о . Тогда с учетом (2) получим

90-arccos AB²+ P²-2FPAB (3)

Чтобы выразить АВ в единицах силы поступим следующим образом. Для треугольников ADE, AOE и АСЕ запишем теоремы косинусов

F²₂ 4P²+AE²-4PAE cos AED (4)

F²₁ P²+AE²-2PAE cos AED (5)

AB²= P+AE²-3PAE cos AED (6)

Решив систему уравнений (4) (6) относительно АВ, получим

АВ² 2F₂² + 2F₁² P². (7)

Подставив значение АВ из формулы (7) в формулу (3), получим

90-arccosF²₂-FP (8)

Устройство для измерения величины и направления угла наклона горной машины работает следующим образом.

Тело 2 вращения устанавливается в корпусе 1 в том направлении, в котором измеряется угол наклона . Указатель 3 показывает это направление.

От стабилизаторов 4 и 5 тока нити 17 и 18 соответственно подается постоянный по величине электрический ток. На концах 19-20 и 21-22 нитей возникает падение напряжения, пропорциональное сопротивлениям нитей. Шнуры 15 и 16 и нити 17 и 18 при любых изменениях наклона от -90^о до +90^о работают в пределах упругих деформаций, когда объемы нитей и шнуров остаются постоянными и когда инерционный элемент 14 при любых значениях угла наклона еще не касается концов 27 или 28 или основания С-образной рамы 29. Так как нити работают в пределах упругих деформаций, то при увеличении длины нити в общем случае в n раз от l до nl ее поперечное сечение одновременно уменьшается также в n раз от S до S/n так, чтобы объем нити оставался постоянным V l S const. Известно, что сопротивление любого проводника, каковыми являются и нити 17 и 18 прямо пропорционально длине и обратно пропорционально поперечному сечению S, а также прямо пропорционально удельному сопротивлению проводника и численно равно

R l/S (9)

Из формулы (9) видно, что при одновременном увеличении длины нити в n раз и уменьшении поперечного сечения нити также в n раз ее сопротивление увеличивается в n² раз. Поэтому на концах 19-20 и 21-22 нитей формируется постоянное напряжение, прямо пропорциональное сопротивлению нити, а следовательно, и прямо пропорциональное квадрату удлинения нити или квадрату соответствующей силы, растягивающей нить. Постоянные напряжения, формируемые на концах 19-20и 21-22 нитей 17 и 18, измеряются вольтметрами 6 и 7 постоянного напряжения, и на их выходах формируются сигналы, пропорциональные квадратам сил F₁² и F₂². Эти сигналы с выходов вольтметров 6 и 7 поступают на входы блока 12 вычисления угла наклона . На третий вход блока 12 из задатчика 11 поступают сигналы, численно равные весу Р инерционного элемента 14 и коэффициенту жесткости К шнуров 15 и 16. Блок 12 по алгоритму (8) определяет значение угла наклона горной машины, соответствующее зарегистрированному в указателе 3 направлению. Это значение угла наклона горной машины индицируется и регистрируется блоком 13.

Измерение вибраций горной машины осуществляется следующим образом.

Если горная машина имеет горизонтальное положение, а вибрации корпуса горной машины 34 происходят в вертикальной плоскости, то из-за вертикальных вибраций корпуса горной машины 34 происходят одновременные гармоничные удлинения и укорочения шнуров 15 и 16 и нитей 17 и 18. В результате на концах 19-20 и 21-22 нитей 17 и 18 возникает переменное напряжение, пропорциональное квадрату амплитуд удлинения нитей 17 и 18. Переменное напряжение на концах нитей является синфазным из-за одновременных удлинений или укорочений обоих упругих шнуров 15 и 16. Это переменное напряжение, пропорциональное амплитуде вибраций корпуса горной машины 34 и равное по частоте вибраций машины, измеряется вольтметрами 8 и 9 переменного напряжения. Сигналы с выходов вольтметров 8 и 9 поступают на входы измерителя 10 разности. В рассматриваемом случае на выходе измерителя разности формируется нулевой сигнал, что свидетельствует об отсутствии вибраций вообще или о наличии вибраций в вертикальном направлении при горизонтальном положении горной машины, когда = 0^о. Чтобы различать эти случаи с выхода вольтметра 9 переменного напряжения сигнал подается на блок индикации и регистрации, который регистрирует измеренные вольтметром 9 вертикальные вибрации горной машины.

Если же горная машина находится под углом к горизонту 0^о, т.е. когда имеет место показанный на фиг.2 случай, то удлинения и укорочения шнуров 15 и 16 неодинаковы по абсолютной величине. Если инерционный элемент 14 находится ближе к концу рамы 29, то абсолютные значения удлинений и укорочений шнура 15 меньше, нежели соответствующие удлинения и укорочения шнура 16. Поэтому переменное напряжение на входе вольтметра 9 больше по абсолютной величине, чем переменное напряжение на входе вольтметра 8. В результате на выходе измерителя 10 разности формируется сигнал, пропорциональный амплитуде вибраций и имеющий знак, пропорциональный (соответствующий) знаку угла наклона горной машины: знак положителен в показанном на фиг.2 случае и отрицателен при наклоне горной машины, когда конец 27 рамы 29 выше конца 28, т.е. когда угол наклона отрицателен. Переменное напряжение, измеряемое вольтметром 9, как и в первом случае, индицируется и регистрируется блоком 13 индикации и регистрации.

Если горная машина находится в горизонтальном положении и совершает вибрации в горизонтальном направлении, то происходит одновременное удлинение шнура 15 и укорочение шнура 16 или наоборот, при удлинении шнура 16 укорачивается шнур 15. Диаграмма сигналов (напряжений) U₁ и U₂на концах 19-20 и 21-22 жил 17 и 18 для этого случая показана на фиг.4. Сигналы U₁ и U₂ одинаковы по амплитудам и противоположны по фазе: при увеличении сигнала U₁ сигнал U₂ уменьшается и наоборот. Амплитуды синалов U₁ и U₂ пропорциональны квадратам удлинений жил 17 и 18. Сигналы U₁ и U₂ с выходов вольтметров 8 и 9 переменного напряжения поступают на входы измерителя 10 разности, на выходе которого формируется сигнал U₃, амплитуда которого равна сумме амплитуд сигналов U₁ и U₂, а фаза совпадает с фазой сигнала U₁. Блок 13 индикации и регистрации регистрирует и сигнал U₂ с выхода вольтметра 9 и сигнал U₃ с выхода измерителя 10 разности.

Если горная машина в наиболее общем случае наклонена под углом 0^о < < 90^о и инерционный элемент 14 совершает колебания, отличные от вертикальных или горизонтальных, то сигнал на выходе вольтметра 9 характеризует амплитуду этих колебаний, а сигнал на выходе измерителя 10 разности характеризует и амплитуду, и направление вибраций горной машины, сигнал с выхода блока 12 характеризует угол наклона горной машины к горизонту. В этом общем случае вся совокупность сигналов индициируется и регистрируется трехканальным блоком 13.

Все сигналы с выходов блоков 6, 7, 12, 8, 9 и 10 в общем случае пропорциональны квадратам удлинения шнуров 15 и 16. В результате этого устройство имеет в n раз большую чувствительность к углу наклона и амплитуде вибрации по сравнению с известными устройствами, которые в лучшем случае имеют сигнал, прямо пропорциональный измеряемой величине. За счет увеличения чувствительности в n раз устройство имеет ровно в n раз меньшую погрешность измерений угла наклона, амплитуды и направления вибраций горной машины.

В устройстве для измерения величины и направления угла наклона горной машины, таким образом, одновременно измеряются четыре параметра: направление угла наклона, регистрируемое указателем 3, показывающим, в каком направлении повернута С-образная рама 29 по отношению к корпусу 1; угол наклона горной машины к горизонту по значению U₁ и U₂ и его направление по знаку (U₁-U₂); амплитуда вибраций горной машины по величине напряжения на входе вольтметра 9; направление вибраций горной машины по соотношению сигналов с выхода вольтметра 9 и измерителя 10 разности. По функциональным возможностям устройство не имеет мировых аналогов, так как не существует устройств, которые могли бы одновременно измерять четыре указанных параметра, причем три последних параметра измеряются с помощью одного общего датчика, составленного инерционным элементом 14 и упругими шнурами 15 и 16.

Устройство для измерения величины и направления угла наклона объекта по сравнению с прототипом имеет следующие преимущества: вдвое расширены функциональные возможности за счет дополнительных измерений амплитуды и угла вибраций объекта; более чем вдвое уменьшены погрешности измерения всех четырех измеряемых параметров за счет увеличения в n раз чувствительностей к углу наклона, к амплитуде вибраций и в 2n раз к направлению вибраций (так как сигнал с выхода измерителя 10 разности имеет вдвое большую чувствительность, чем сигналы с выходов вольтметров 6, 7, 8, 9); увеличена надежность работы устройства по внезапным отказам за счет исключения сложного и имеющего механические узлы и детали однокоординатного наклономера. Все технические преимущества устройства достигнуты всеми вместе отличительными признаками устройства.