Результат интеллектуальной деятельности: Струнный преобразователь перемещения

Изобретение относится к области электрических измерений неэлектрических, в частности перемещений, величин и может использоваться в системах мониторинга технического состояния зданий и сооружений.

Известен датчик для измерения больших, медленно меняющихся перемещений, содержащий корпус, измерительный элемент, расположенный в корпусе и выполненный в виде струны, подвижный элемент, выполненный в виде охватывающего корпус цилиндра, наконечник, связанный с подвижным элементом и выделяющей на струне два рабочих участка и два преобразователя измеряемых величин в электрический сигнал (RU №372464, G01L 1/10, G01b 17/04, 12.03.1971).

Основным недостатком данного изобретения является низкая точность измерения, из-за невозможности контроля за натяжением струны, которая во времени изменяется как от релаксации материала струны, так и от некачественного закрепления струны в ниппелях.

Известен датчик перемещения, корпус которого содержит измерительный элемент в виде струны с постоянным натяжением, подвижный элемент, воспринимающий перемещение и с помощью тяг, связанный с наконечником, выполненным в виде полого цилиндра с отверстиями в торцах цилиндра, в которых установлена струна с возможностью перемещения по скользящим посадкам, выделяющих внутри цилиндра участок струны постоянной длины. На образующей цилиндра в средней его части расположен преобразователь натяжения струны в электрический сигнал. Под рабочими участками струны, расположенными за пределами цилиндра, размещены два преобразователя измеряемой величины в электрический сигнал, при этом герметизация корпуса осуществлена за счет сильфона (SU №583371 А2, G01B 17/04, G01L 1/10, 15.12.1975).

Основным недостатком данного изобретения является то, что регистрация измеряемых перемещений возможна только при включенной вторичной аппаратуре, а также низкая точность измерения за счет того, что в процессе измерения меняется точка приложения возбуждающего колебания рабочих участков струны импульса силы, а, следовательно, состав гармоник и амплитуда колебаний струны, являющиеся причинами основной (амплитудной) погрешности струнных преобразователей.

По авт.св. на изобретение (RU №2685803 C1, G01L 1/10, 15.12.2017) известен датчик перемещения, содержащий корпус с измерительным элементом в виде струны с постоянным натяжением, подвижный элемент, воспринимающий перемещение и с помощью тяг, связанный с первым наконечником, выполненным в виде полого цилиндра с отверстиями в торцах цилиндр, в которых установлена струна с возможностью перемещения по скользящим посадкам, выделяющим внутри цилиндра участок струны постоянной длины, на образующей цилиндра в средней его части расположен первый преобразователь натяжения струны в электрический сигнал, под первым и вторым рабочими участками струны, расположенными за пределами цилиндра первого наконечника, размещены второй и третий преобразователи измеряемой величины в электрический сигнал, причем второй преобразователь закреплен на корпусе датчика перемещения, герметизация корпуса датчика перемещения осуществлена за счет сильфона, отличающийся тем, что с целью обеспечения регистрации не только текущего значении перемещения, но максимального за весь предыдущий период измерения, датчик перемещения снабжен второй подвижный наконечник в виде полого цилиндра с закрепленный на нем храповиком реечного типа, собачку и прижимную пружину, которые закреплены на корпусе датчика перемещения, а третий преобразователь закреплен в полости второго подвижного наконечника, который имеет соосные с первым подвижным наконечником отверстия, в одном из которых имеется скользящая посадка, выделяющая второй рабочий участок струны.

Датчик перемещений по авт.св. на изобретение (RU №2685803 С1, G01L 1/10, 15.12.2017) обеспечивает при выключенной или поврежденной вторичной аппаратуре получение информации о максимальных значениях перемещений за весь период эксплуатации.

Существенным недостатком известного датчика перемещения является то, что преобразователи натяжения струны в электрический сигнал, под первым и вторым рабочими участками струны, расположены на корпусе датчика и корпусе второго подвижного наконечника неподвижно. В процессе измерения меняются точки приложения возбуждающего колебания струны импульса силы относительно центров рабочих участков струны, что влечет за собой изменение состава гармоник и амплитуды колебаний струны, которая в свою очередь влияет на основную (амплитудную) погрешности струнных преобразователей. Амплитуда колебания струны зависит от точки приложения силы (x_o). При расположении точки (х_o) в центре струны (х_о=l/2) наиболее эффектно возбуждаются 1, 3, 5 … и другие нечетные гармоники, а четные гармоники 2, 4, 6, … оказываются подавленными. Так как в струнных преобразователях информативным параметром является собственная частота (или период) первой гармоники, то в целях снижения амплитудной погрешности и повышения помехоустойчивости целесообразно, чтобы расположение точки (x_o) поддерживалось в центре рабочих участков струны (x_oi=l_i/2) на всем интервале измерения, что обеспечивается в датчике перемещений по авт.св. на изобретение №2685803 только для третьего участка струны (x_o3=l₃/2).

Задачей заявляемого технического решения является создание струнного преобразователя перемещения, в котором точки приложения силы возбуждения колебаний рабочих участков струны (x_oi) поддерживаются в центре соответствующих рабочих участков струны (x_oi=l_i/2) на всем интервале измерения, что снижает амплитудную погрешность и повышает помехоустойчивость.

Технический результат достигается тем, что струнный преобразователь перемещения, содержащий корпус с измерительным элементом в виде струны с постоянным натяжением, подвижный элемент, воспринимающий перемещение и с помощью тяг, связанный с первым наконечником, выполненным в виде полого цилиндра с отверстиями в торцах цилиндр, в которых установлена струна с возможностью перемещения по скользящим посадкам, выделяющим внутри цилиндра участок струны постоянной длины (третий участок), на образующей цилиндра в средней его части расположен первый преобразователь натяжения струны в электрический сигнал, под первым и вторым рабочими участками струны, расположенными за пределами цилиндра первого наконечника, размещены второй и третий преобразователи измеряемой величины в электрический сигнал, второй подвижный наконечник в виде полого цилиндра с закрепленным на нем храповиком реечного типа, собачку и прижимную пружину, которые закреплены на корпусе датчика перемещения, а второй преобразователь закреплен в полости второго подвижного наконечника, который имеет соосные с основным подвижным наконечником отверстия, в одном из которых имеется скользящая посадка, выделяющая второй рабочий участок струны, а герметизация корпуса датчика перемещения осуществлена за счет сильфона, снабжен двумя ползунами, при этом первый ползун состоит из второго подвижного элемента, который расположен точно посредине второго участка струны переменной длины, имеет вертикальную проточку, обеспечивающую свободное перемещение в плоскости, перпендикулярной оси струны, первой шарнирной оси первой пары подвижных звеньев равной длины, вторые шарнирные оси которых соответственно расположены на корпусе и втором подвижном наконечнике, а второй преобразователь натяжения струны в электрический сигнал расположен посредине образующей второго подвижного элемента; второй ползун состоит из третьего подвижного элемента, который расположен точно посредине первого участка струны переменной длины, имеет вертикальную проточку, обеспечивающую свободное перемещение в плоскости, перпендикулярной оси струны, второй шарнирной оси второй пары подвижных звеньев равной длины, вторые шарнирные оси которых соответственно расположены на корпусе и первом подвижном наконечнике, а третий преобразователь натяжения струны в электрический сигнал расположен посредине образующей третьего подвижного элемента.

На фиг. 1 представлено положение элементов струнного преобразователя перемещения в момент установки его на объект (момент времени t₀), на фиг. 2 представлено положение элементов струнного преобразователя перемещения при достижении максимально возможного перемещения, на фиг. 3 представлено положение элементов струнного преобразователя перемещения при текущем значении перемещения, величина которого ниже максимального значения за весь предыдущий период измерения.

Корпус струнного преобразователя перемещения (1) содержит измерительный элемент (2) в виде струны с постоянным натяжением, первый подвижный элемент (3), воспринимающий перемещение с помощью тяг (4), связанный с первым подвижным наконечником (5), выполненным в виде полого цилиндра с отверстиями (6) в торцах цилиндра, в которых установлена струна с возможностью перемещения по скользящим посадкам, выделяющим внутри цилиндра участок (7) струны постоянной длины (l₃). На образующей цилиндра первого наконечника в средней его части расположен первый преобразователь (8) натяжения струны в электрический сигнал. Второй подвижный наконечник (9) выполнен в виде полого цилиндра с закрепленным на нем храповиком реечного типа (10), собачка (11) и прижимная пружина (12) которого закреплены на корпусе датчика. Внутри второго подвижного наконечника расположен второй подвижный элемент (13), имеющий возможность перемещаться вдоль второго участка (14) струны переменной длины (l₂). На образующей второго подвижного элемента расположен второй преобразователь (15) натяжения струны в электрический сигнал. Второй подвижный элемент (13), расположенный точно посредине второго участка (14) струны переменной длины (6), имеет вертикальную проточку (16), обеспечивающую свободное перемещение в плоскости, перпендикулярной оси струны, первой шарнирной оси (17) первой пары подвижных звеньев (18) и (19) равной длины, вторая и третья шарнирные оси которых соответственно (20) и (21) расположены на корпусе и втором подвижном наконечнике, образуя первый ползун. Между торцом корпуса и первым подвижным наконечником расположен третий подвижный элемент (22), имеющий возможность перемещения вдоль первого участка (23) струны переменной длины (l₁). На образующей третьего подвижного элемента расположен третий преобразователь (24) натяжения струны в электрический сигнал. Третий подвижный элемент (22), расположенный точно посредине первого участка (23) струны переменной длины (l₁), имеет вертикальную проточку (25), обеспечивающую свободное перемещение в плоскости, перпендикулярной оси струны, второй шарнирной оси (26) второй пары подвижных звеньев (27) и (28) равной длины, четвертая и пятая шарнирные оси которых соответственно (29) и (30) расположены на первом подвижном наконечнике и корпусе датчика перемещения, образуя второй ползун. Герметизация корпуса осуществлена за счет сильфона (31). Второй подвижный наконечник (9) имеет соосные с первым подвижным наконечником (5) отверстия (32, 33, 34, 35, 36), при этом в отверстии (36) имеется скользящая посадка, выделяющая второй рабочий участок (l₂) струны. Для пропуска кабелей от первого, второго и третьего преобразователей (8, 15, 25) измеряемой величины в электрический сигнал используются отверстия (37, 38, 39, 40), отверстия (41, 42, 43, 44) используются для крепления шарнирных осей (20, 21, 29, 30).

Принцип работы струнного преобразователя перемещения.

Выделенный участок струны (7) внутри первого наконечника (5) с помощью соосных отверстий (6) всегда остается постоянной длины, а частота его колебаний может изменяться только при изменении натяжения струны, которое должно быть стабильным, при этом этот участок струны совместно с преобразователем (8) используется для контроля стабильности струны.

Положение конструктивных элементов струнного преобразователя перемещения в начальный момент времени t_o (в момент установки на объекте, когда перемещение Δl=0) представлено на фиг. 1

На фиг. 4 представлена диаграмма изменения значения измеряемого параметра (перемещения) по значениям выходного сигнала третьего преобразователя (24) при постоянно включенной вторичной аппаратуре системы мониторинга, на фиг. 5 представлена диаграмма изменения максимального значения измеряемого параметра (перемещения) по значениям выходного сигнала второго преобразователя (15), на фиг.6 представлена диаграмма изменения значения измеряемого параметра (перемещения) по значениям выходного сигнала третьего преобразователя (24) в случае отключения вторичной аппаратуры системы мониторинга на интервале времени t₁-t₃.

При измерении перемещения (перемещении на некоторую величину Δl₁) первый подвижный элемент (3), жестко скрепленный с помощью тяг (4) с первым подвижным наконечником (5), перемещается относительно корпуса (1) на величину перемещений Δl₁, изменяя (увеличивая) рабочую длину (l₁) первого рабочего участка струны (23) на величину перемещений Δl₁. На такую же величину сместится второй подвижный наконечник (9), уменьшив длину второго рабочего участка струны (/2) на такую же величину Δl₁.

Наличие ползунов обеспечивает в процессе измерения постоянство нахождения второго (15) и третьего (24) преобразователей измеряемой величины (перемещения) в электрический сигнал точно посредине соответственно второго (l₂) и третьего (l₃) рабочего участка струны, что достигается равенством длин первой (18), (19) и второй (18), (19) пары подвижных звеньев соответственно.

Величину текущего значения перемещения определяют по частоте колебаний первого рабочего участка струны (23), а величину максимального значения перемещения - по частоте колебаний второго рабочего участка струны (14).

При этом второй подвижный наконечник (9) свободно перемещается относительно корпуса (1) струнного преобразователя перемещения вместе с первым подвижным наконечником (5) до достижения максимального значения на момент проведения измерения Δl₁. Как только текущее значение перемещения начнет уменьшаться (в момент времени t₁), сработает «собачка» (11) храповика (10), зафиксировав максимальное значение перемещения Δl₁ за все время измерения, а первый подвижный наконечник (5) продолжит свое движение в сторону меньших значений перемещения. Если за все время последующих измерений значение перемещений не превысит величины Δl₁, положение второго подвижного наконечника (9) не изменится, а частота колебаний второго рабочего участка струны (14) будет оставаться постоянной, соответствующей значению перемещения в момент времени t₁. При превышении значения перемещения величины Δl₁, т.е. значение перемещения начнет увеличиваться относительно своего значения в момент времени t₁, первый подвижный наконечник (5) начнет перемещать второй подвижный наконечник (9) в сторону больших значений перемещений, а при уменьшении значения перемещения (в момент времени t₂), снова сработает «собачка» храповика, зафиксировав максимальное значение перемещения за все время измерения (Δl₂), а первый подвижный наконечник (5) продолжит свое движение в сторону меньших значений перемещения. Данный процесс будет повторяться каждый раз, когда измеряемая величина (перемещение) превысит значение предыдущего максимума.

Таким образом, при включенном питании вторичной аппаратуры струнный преобразователь перемещения позволяет получать следующую информацию:

- с выхода первого преобразователя (8) натяжения струны в электрический сигнал - информацию (частоту или период колебания участка (7) струны постоянной длины (l₃)), которая используется для контроля постоянства силы натяжения струны (2);

- с выхода второго преобразователя (15) измеряемой величины (перемещения) в электрический сигнал - информацию (частоту или период колебания второго рабочего участка (l₂) струны участка (14)), которая используется для контроля максимального значения измеряемого параметра (перемещения) за весь период эксплуатации датчика;

- с выхода третьего преобразователя (24) измеряемой величины (перемещения) в электрический сигнал - информацию (частоту или период колебания первого рабочего участка (23) (l₁) струны (2), которая используется для контроля текущего значения измеряемой величины Δl.

При отключенном питании вторичной аппаратуры (интервал времени от t₁ до например, в случае аварии, см. фиг.6) информация с выходов преобразователей (8, 15, 24) измеряемой величины (перемещения) в электрический сигнал не поступает, также как у известного датчика по авт.св. на изобретение №2685803.

Сопоставительный анализ изобретения позволяет сделать вывод, что новым является то, что в целях повышения точности и помехоустойчивости (посредством обеспечения постоянства пространственного положения второго (15) и третьего (24) преобразователей натяжения струны в электрический сигнал точно посередине соответственно второго (14) и первого (23) участков струны), струнный преобразователь перемещения снабжен двумя ползунами, при этом первый ползун состоит из второго подвижного элемента (13), который расположен точно посредине второго участка (14) струны переменной длины (l₂), имеет вертикальную проточку (16), обеспечивающую свободное перемещение в плоскости, перпендикулярной оси струны, первой шарнирной оси (17) первой пары подвижных звеньев (18) и (19) равной длины, вторая и третья шарнирные оси которых соответственно (20) и (21) расположены на корпусе (1) и втором подвижном наконечнике (9), а второй преобразователь (15) натяжения струны в электрический сигнал расположен посредине образующей второго подвижного элемента (13); второй ползун состоит из третьего подвижного элемента (22), который расположен точно посредине первого участка (23) струны переменной длины (l₁), имеет вертикальную проточку (25), обеспечивающую свободное перемещение в плоскости, перпендикулярной оси струны, второй шарнирной оси (26) второй пары подвижных звеньев (27) и (28) равной длины, вторые шарнирные оси которых соответственно (29) и (30) расположены на корпусе (1) и первом подвижном наконечнике (5), а третий преобразователь (24) натяжения струны в электрический сигнал расположен посредине образующей третьего подвижного элемента (22).

В струнном преобразователе перемещения заявлены неизвестные технические решения, идентичные совокупности признаков заявленного струнного преобразователя перемещения, что определяет, по мнению заявителей, соответствие критерию «новизна». Сравнение предлагаемого решения с другими техническими решениями в данной области техники позволяют сделать вывод о соответствии критерию изобретению «изобретательский уровень».

Изобретение позволяет обеспечить автоматическое постоянство пространственного положения второго и третьего преобразователей (15 и 24) натяжения струны в электрический сигнал точно посередине соответственно первого (23) и второго (14) участков струны, что повышает точность и помехоустойчивость всей системы измерения (струнный преобразователь перемещения - вторичная аппаратура) за счет подавления четных гармоник.