PL205764B1 - Pochyłomierz jednoosiowy świetlny - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest pochyłomierz jednoosiowy świetlny do pomiaru nachylenia płaszczyzny wzdłuż jednej osi, zwłaszcza do pomiaru nachylenia budynków, kominów i masztów radiowych.

Znane jest z patentu US 3723011 urządzenie przeznaczone do pomiaru wielkości i kierunku odchylenia w płaszczyźnie poziomej w odniesieniu do kierunku pola magnetycznego Ziemi. Promienie świetlne wyemitowane przez źródło światła po przejściu przez obrotową warstwą polaryzacyjną i stałe segmenty polaryzacyjne padają na dwa foto-czułe elementy. Gdy urządzenie znajduje się w wyjściowej pozycji kątowej zero, to intensywność spolaryzowanych wiązek światła padających na dwa fotoczułe elementy jest jednakowa i pochodzący z nich odczyt jest taki sam. W zależności od kierunku i wielkości obrotu obrotowej warstwy polaryzacyjnej w granicach ±45°, intensywność światła padająca na jeden foto-czuły element wzrasta a na drugim proporcjonalnie maleje i odwrotnie. Wyniki z dwóch foto-czułych elementów wskazują zatem kierunek i wielkość odchylenia pozycji kątowej urządzenia od wyjściowej pozycji kątowej zero w odniesieniu do kierunku pola magnetycznego Ziemi w granicach ±45°. Obrót warstwy polaryzacyjnej w stosunku do ziemskiego pola magnetycznego wymusza magnes umieszczony na tej warstwie. Intensywność światła padającego na dwa foto-czułe elementy zależy od położenia obrotowej warstwy polaryzacyjnej w stosunku do dwóch stałych segmentów polaryzacyjnych umieszczonych między tą warstwą a foto-czułymi elementami.

W pochyłomierzu według wynalazku wielkość strumienia światła regulowana jest przez położ enie przesłony ruchomej zamocowanej do cięgna, które pod wpływem siły ciężkości jest zawsze w pozycji pionowej. Intensywność energii świetlnej padającej na dwa detektory fotoelektryczne zależy od wielkości szczelin, natomiast wielkość szczelin zależy od położenia przesłony ruchomej w stosunku do przesłon stałych.

Urządzenie chronione patentem US 4723011 mierzy odchylenia wyłącznie w płaszczyźnie poziomej w odniesieniu do kierunku pola magnetycznego Ziemi w granicach ±45°, natomiast pochyłomierz będący przedmiotem zgłoszenia mierzy odchylenia zarówno w płaszczyźnie poziomej jak i pionowej, niezależnie od kierunku pola magnetycznego Ziemi.

Znane są również pochyłomierze jednoosiowe cieczowe w postaci libell cieczowych jednoosiowych oraz pochyłomierze z czujnikiem mechanicznym oddziaływującym z odpowiednio uformowanym polem elektrycznym lub magnetycznym. I tak na przykład znany jest z opisu patentowego nr 169734 pochyłomierz grawitacyjny dwustrunowy, w którym zmiana położenia wahadła powoduje zmianę napięcia strun tzn. jedna struna jest bardziej a druga mniej napięta, a tym samym następuje zmiana częstotliwości drgań strun, pobudzanych przez zespoły elektromagnesów. W zależności od kierunku wychylenia wahadła różnica częstotliwości drgań strun może być większa lub mniejsza od zera i jest podstawą do określenia wielkości pochylenia badanego obiektu.

Główną wadą tego pochyłomierza jest oddziaływanie wewnętrznego pola elektrycznego i magnetycznego z polami zewnętrznymi, oraz wpływ temperatury na dokładność pomiaru przy niejednakowym napięciu strun.

Innym rozwiązaniem jest znany ze wzoru użytkowego nr 47045 czujnik elektrooptyczny do pomiaru wychyleń obiektów i urządzeń zlokalizowanych na powierzchni terenu, zwłaszcza w górotworze. Czujnik ten składa się z obudowy, wewnątrz której jest umieszczone wahadło na dwuprzegubowym, swobodnym zawieszeniu. Do wahadła przymocowany jest tłumik, masa korekcyjna i przesłona, która powoduje zmiany oświetlenia pochodzącego od diody LED i służącego do oświetlenia fotoelementów zestawionych w segmenty i ułożonych we wzajemnie prostopadłe linijki. Z fotoelementów wyprowadzane są sygnały elektryczne zależne od położenia przesłony w stosunku do diody LED i w stosunku do fotoelementów.

Wadą urządzenia jest zastosowanie jednej diody LED, która musi być ustawiona centrycznie nad przesłoną i fotoelementami. Wadą jest także zastosowanie jednej przesłony do pomiaru wychylenia w dwóch kierunkach, co powoduje konieczność pokrycia się osi przesłony z osiami obrotu wahadła, a w przypadku przesłony kwadratowej do utrzymania równoległości krawędzi z osiami obrotu wahadła. Wysoka precyzja wykonania i montażu elementów tego urządzenia ma duży wpływ na jego czułość i dokładność pomiaru.

Istotą pochyłomierza jednoosiowego świetlnego według wynalazku jest wykorzystanie dwóch strumieni świetlnych transmitowanych przez szczeliny między dwiema stałymi przesłonami a przesłoną ruchomą zamocowaną do cięgna i stanowiącą wraz z nim czujnik mechaniczny. Przesłona ruchoma

PL 205 764 B1 ma postać nieprzezroczystego prostokąta, którego dłuższe boki są usytuowane prostopadle do osi cięgna i jest umieszczona między dwiema przesłonami stałymi w równych od nich odległościach. Z jednej strony przesłon jest osadzone źródło światła a z drugiej strony symetrycznie względem osi cięgna są osadzone dwa detektory fotoelektryczne, które są połączone z przetwornikiem sygnałów elektrycznych, a ten z sumatorem napięć. Położenie przesłony ruchomej pochyłomierza między przesłonami stałymi jest detekowane za pomocą detektorów fotoelektrycznych oddziaływujących ze strumieniami świetlnymi przepuszczanymi przez szczeliny.

Pochyłomierz według wynalazku rozwiązuje problem szkodliwego oddziaływania przetwornika mechanicznego z pozostałymi elementami pochyłomierza. Ten stan jest zapewniony dzięki wypracowaniu sygnałów pomiarowych pochyłomierza na drodze przetwarzania strumieni świetlnych na sygnały pomiarowe elektryczne.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym:

fig. 1 - przedstawia wzajemne położenie elementów pochyłomierza znajdujących się wewnątrz obudowy w widoku z boku, w przekroju między przesłonami i źródłem światła, fig. 2 - przedstawia wzajemne położenie elementów pochyłomierza w widoku z góry, zarówno tych wewnątrz obudowy jak i połączenia elektryczne z układem pomiarowym pochyłomierza, umieszczonym na zewnątrz obudowy i przedstawionym za pomocą bloków i sygnałów pomiarowych zaznaczonych strzałkami.

Pochyłomierz według wynalazku, posiada oś obrotu 1 z łożyskami, na której jest zawieszone cięgno 2 z przymocowaną przesłoną ruchomą 3, które razem stanowią przetwornik mechaniczny wyposażony w tłumik ruchu 6. Cięgno 2 ustawia się zawsze w kierunku działania siły ciężkości G. Przesłona ruchoma 3 jest usytuowana między dwiema przesłonami stałymi 5' i 5 w równych od nich odległościach, tworząc dwie szczeliny. Wszystkie przesłony 3, 5' i 5 są ustawione w jednej linii. Po ich jednej stronie znajduje się źródło światła 7, natomiast z drugiej strony dwa detektory fotoelektryczne 4' i 4, współpracujące ze strumieniami świetlnymi, przepuszczanymi przez dwie szczeliny między dwiema przesłonami stałymi 5' i 5 a przesłoną ruchomą 3. Korzystne jest zastosowanie jako źródła światła 1 żarówki elektrycznej z żarnikiem liniowym 8 o długości większej niż odległość między przesłonami stałymi (5') i (5) i usytuowanie jej równolegle do linii ustawienia przesłon stałych 5' i 5 oraz przesłony ruchomej 3. Wszystkie wyżej wymienione elementy są umieszczone w obudowie 9 pochyłomierza. Detektory fotoelektryczne 4' i 4 są połączone z przetwornikiem 11, przetwarzającym sygnały pomiarowe R₄' i R₄ na napięcia elektryczne U(+) i U(-), które dalej jako sygnały układu pomiarowego są doprowadzane do sumatora napięć 12, w którym wytwarzany jest sygnał wyjściowy W pochyłomierza. Sygnał ten jest proporcjonalny do różnicy długości szczelin. Do zasilania układu pomiarowego pochyłomierza służy zasilacz napięciowy 13, natomiast do zasilania żarnika 8 zasilacz prądowy 10 o stałej wartości natężenia prądu J=const.

W sytuacji, gdy pochyłomierz jest ustawiony na płaszczyźnie poziomej, to przesłona ruchoma 3 znajduje się w położeniu środkowym między przesłonami stałymi 5' i 5, to znaczy szczeliny między przesłonami są tej samej wielkości a strumienie świetlne emitowane przez źródło światła i przepuszczane przez szczeliny mają jednakową energię gwarantowaną dodatkowo przez zastosowanie jako źródła światła 7 żarówki elektrycznej z liniowym żarnikiem 8, zasilanej prądem spełniającym warunek J=const. Opisany stan skutkuje tym, że sygnał wyjściowy W=0. W sytuacji, gdy nachylenie płaszczyzny ustawienia pochyłomierza zmieni się wzdłuż osi prostopadłej do osi obrotu 1, to zmieni się również pod wpływem siły ciężkości położenie przesłony ruchomej 3 względem przesłon stałych 5' i 5, tym samym zmienią się wymiary szczelin, a różnica ich długości nie będzie równa zero. Nastąpi zróżnicowanie strumieni świetlnych przepuszczanych przez szczeliny, co spowoduje zmianę sygnałów pomiarowych R₄ i R₄», powstałych w detektorach fotoelektrycznych 4' i 4, które to sygnały są doprowadzane do przetwornika 11 i przetwarzane odpowiednio w napięcia elektryczne U(+) i U(-), a następnie zsumowane w sumatorze napięć 12 i przetworzone w sygnał wyjściowy W pochyłomierza, proporcjonalny do różnicy odległości między przesłoną ruchomą 3, a przesłonami stałymi 5' i 5, których wielkość jest funkcją położenia przesłony ruchomej 3.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Pochyłomierz jednoosiowy świetlny składający się z łożyskowanego na osi cięgna, przesłon, źródła światła i detektorów fotoelektrycznych usytuowanych wewnątrz obudowy, znamienny tym, że

   PL 205 764 B1 do cięgna (2) jest zamocowana przesłona ruchoma (3) w postaci nieprzezroczystego prostokąta, którego dłuższe boki są usytuowane prostopadle do osi cięgna (2), a ponadto, przesłona ruchoma (3) jest umieszczona między dwiema przesłonami stałymi (5' i 5) w równych od nich odległościach, przy czym z jednej strony przesłon (3), (5') i (5) jest osadzone źródło światła (7) a z drugiej strony symetrycznie względem osi cięgna (2) są osadzone dwa detektory fotoelektryczne (4' i 4), które są połączone z przetwornikiem sygnałów elektrycznych (11), a ten z sumatorem napięć (12).