гиротеодолит с вертикальной ориентацией оси вращения ротора гироскопа

Формула изобретения

1. Гиротеодолит с чувствительным элементом, содержащим гироскоп со сферическим ротором с вертикальной ориентацией оси его вращения, списывающее устройство и блок выработки азимутального направления, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде герметичного вакуумированного корпуса, содержащего ферромагнитный ротор со сферической наружной поверхностью и расположенным над ним симметричным относительно вертикальной оси статором с сердечниками электромагнитов, имеющими поверхности сферической формы в зоне их взаимодействия с ротором, а каждый электромагнит статора связан с источником переменного напряжения (тока) через конденсатор и последовательно соединенный с ним блок демпфирования, а также содержащего двухкоординатный датчик, взаимодействующий с ротором, связанный с блоком выработки азимутального направления и выходами усилителей-преобразователей, входы которых связаны со списывающим устройством,

2. Гиротеодолит по п. 1, отличающийся тем, что сферический ротор гироскопа имеет цилиндрическое отверстие, связанное с внутренней полостью, оси симметрии которых параллельны оси вращения ротора, причем упомянутое отверстие расположено в нижней части ротора.

3. Гиротеодолит по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что каждый блок демпфирования содержит два параллельно соединенных между собой однополупериодных разнополярных выпрямителя, каждый из которых связан с параллельно соединенными сопротивлением и конденсатором.

4. Гиротеодолит по пп. 1 3, отличающийся тем, что в нем применены сумматоры, например, резистивные, визуальные индикаторы отклонения корпуса гиротеодолита от направления вертикали и(или) привода автоматического горизонтирования корпуса, причем входы каждого сумматора связаны с разнополярными выпрямителями блоков демпфирования, включенных последовательно с электромагнитами статора подвеса, оси симметрии которых расположены в одной вертикальной плоскости, проходящей через центр ротора, а выходы сумматоров связаны с соответствующими визуальными индикаторами и(или) приводами автоматического горизонтирования.

5. Гиротеодолит по пп. 1 3, отличающийся тем, что в нем применены сумматоры, например, резистивные, визуальные индикаторы отклонения корпуса гиротеодолита от направления вертикали и (или) привода автоматического горизонтирования корпуса, две пары разнополярных выпрямителей напряжения, причем каждый выпрямитель пары связан по входу с электромагнитом статора, а второй выпрямитель другой полярности пары связан с электромагнитом статора, лежащим в той же вертикальной плоскости, что и ранее указанный электромагнит, а по выходу выпрямители связаны со входами сумматора, выход которого связан с индикатором отклонения и (или) приводом автоматического горизонтирования.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано в геодезическом и маркшейдерском оборудовании при создании гиротеодолитов различных типов. Гиротеодолиты предназначены для определения отклонения горизонтального направления относительно географического меридиана.

Известны гиротеодолиты с вертикальной ориентацией оси вращения гироскопа. Потенциальными преимуществами такого типа приборов является их меньшая восприимчивость к вибрационным ускорениям и поступательным линейным перемещениям объектов, на которых они устанавливаются, однако требования к точности работы гироскопа для такого способа его применения достаточно высоки.

В упомянутом гиротеодолите, принятом за прототип, используется гироскоп с аэростатическим подвесом сферического ротора и достаточно сложное фотооптическое устройство наблюдения за ориентацией ротора. Ротор поддерживается во взвешенном состоянии силами аэростатического подвеса, направленными вверх, путем принудительного наддува сжатого воздуха в зазор между ротором и расположенной снизу чашей со сферической поверхностью. Чаша приводится во вращение вокруг вертикальной оси электромотором. Ротор увлекается во вращение аэродинамическими силами, возникающими между ним и вращающейся чашей. Вследствие вращения Земли ось вращения ротора занимает равновесное положение, отличное от вертикального. Величина и направление указанного отклонения регистрируется фотооптическим датчиком.

Для приведения в действие описанной достаточной энергоемкой конструкции использован сравнительно мощный двигатель, снабженный для отвода тепла радиатором. Поскольку параметры аэростатического подвеса и привода во вращение существенно зависят от температуры, то получение удовлетворительных точностных характеристик возможно лишь после завершения переходных тепловых процессов, что, по-видимому, возможно не ранее часа. Естественно, что показания такого гиротеодолита сильно зависят от окружающей температуры. Кроме того, воздействие сильной связи ротора через воздушную среду с окружающими деталями к точности изготовления основных деталей устройства предъявляются достаточно жесткие требования. Невысокая инструментальная точность такого гироскопа и громоздкость конструкций, по-видимому, не позволили гиротеодолиту данного типа найти широкое практическое применение.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание современного, точного, технологического, малогабаритного и экономичного по питанию гиротеодолита. Малые габариты и энергопотребление особенно важны для переносных полевых геодезических инструментов.

Поставленная задача решается тем, что в гиротеодолите с вертикальной ориентацией оси вращения ротора гироскопа, содержащем чувствительный элемент и списывающее устройство, чувствительный элемент выполнен в виде ферромагнитного ротора со сферической наружной поверхностью с расположенным над ним симметричным относительной оси статора с сердечниками электромагнитов, имеющими в зоне взаимодействия с ротором поверхности сферической формы, причем электромагниты статора связаны через конденсаторы и блоки демпфирования с источником переменного напряжения или тока. Образованный таким образом магниторезонансный подвес сохраняет неизменным зазор между ротором и сердечниками электромагнитов. Поскольку подвес ротора осуществляется силами электромагнитного поля, а не за счет давления газа, как у прототипа, то чувствительный элемент выполнен с герметичным корпусом и вакуумом внутри, что существенно снижает необходимую энергию для приведения ротора во вращение и тем самым обеспечивает повышение точности и сокращение времени готовности, а также снижает температурную восприимчивость гиротеодолита по сравнению с прототипом.

Внутри герметичного корпуса размещены также статор электромотора, приводящего во вращение ротор, а также двухкоординатный дифференциальный индукционный датчик, выполняющий функции измерителя угловых отклонений ротора относительно оси симметрии корпуса и функции датчика момента.

В отличие от прототипа, а также известных гироскопов с магнитным подвесом у предложенного устройства ротор имеет в нижней части одно глухое цилиндрическое отверстие. Отсутствие такого отверстия в верхней части вблизи рабочей зоны силового магниторезонансного подвеса уменьшает касательные к сферической поверхности ротора силы взаимодействия статора подвеса с ротором, обусловленные полями рассеяния статора, что повышает точность работы гиротеодолита. Ротор такой формы позволяет также приблизить сердечники электромагнитов статора подвеса к вертикальной оси симметрии корпуса, что способствует уменьшению моментов сопротивления вращению ротора.

Разности токов электромагнитов подвеса используются для определения начальной ориентации гиротеодолита относительно вертикали места.

На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого гиротеодолита; на фиг. 2 и 3 схемы составных частей измерительного блока и блока демпфирования, а также выработки сигналов, пропорциональных отклонению корпуса измерительного блока от вертикального направления.

Корпус гироскопического измерительного блока 1 со связанными с ним ортогональными осями X, Y, Z установлен в корпусе гиротеодолита и ориентирован таким образом, чтобы упомянутые оси совпадали с соответствующими осями гиротеодолита, причем ось симметрии Z была ориентирована по вертикали места, а направление одной из горизонтальных осей, например оси Y, приблизительно совпадало с направлением N географического меридиана. Угол между упомянутым горизонтальным направлением и должен определяться гиротеодолитом. Блок 2 демпфирования и выработки сигналов, пропорциональных отклонению оси Z от направления местной вертикали, совместно с преобразователем питания 3 обеспечивает функционирование пространственного магнитного подвеса ротора гироскопа, установленного в корпусе 1. Сигналы 4 и 5, пропорциональные отклонению оси Z от направления местной вертикали, поступают через фильтры 6 и 7 нижних частот на визуальные индикаторы 8 и 9, по показаниям которых оператор совмещает направления оси Z и местной вертикали. Вместе с индикаторами или вместо них в состав блоков 8 и 9 могут входить приводы автоматического горизонтирования гиротеодолита или вычислительные устройства, вырабатывающие поправку к показаниям гиротеодолита, учитывающую рассогласование направлений оси Z и вертикали.

Двухкоординатный датчик угла 10 угловых отклонений оси вращения ротора гироскопа от направления оси Z корпуса 1 связан через усилители - преобразователи 11 и 12 с двухкоординатным датчиком момента 13. Все эти элементы образуют двухкоординатную следящую систему, стремящуюся уменьшить упомянутые угловые отклонения.

Указанная следящая система выполняет различные функции в зависимости от того, совпадают между собой или не совпадают центр тяжести ротора и центр его наружной сферической поверхности. Для случая астатического гироскопа, т. е. случая совпадения упомянутых центров, и при достаточно большом усилении усилителей преобразователей на их выходах появятся электрические сигналы, пропорциональные абсолютным угловым скоростям w_x и _y поворота корпуса 1 вокруг осей X и Y. В этом случае блоки 1, 10, 11, 12, 13 выполняют функции двухкоординатного гиротахометра. Значения величин _x и _y определяются из следующих очевидных соотношений

_x=cossin _y=coscos

где угловая скорость вращения Земли;

v геофизическая широта.

При расположении центра тяжести ротора ниже центра его наружной поверхности ротор ведет себя как гиромаятник с вертикальной осью вращения. В этом случае коэффициенты усиления блоков 11 и 12, а также передаточная функция датчика 13 выбираются из условий необходимого демпфирования свободных прецессионных колебаний гиромаятника, т. е. рассмотренный ранее двухкоординатная следящая система выполняет функции демпфирующего устройства.

Необходимо отметить, что модификация заявленного устройства с автоматическим гироскопом обеспечивает более быстрое окончание переходных процессов, т. е. более быстрое решение поставленной задачи, в то время как модификация устройства с гиромаятником потенциально способна работать с большей точностью. На самом деле даже в случае преднамеренного построения гиротеодолита с астатическим гироскопом вследствие несовершенства технологии всегда существует остаточная разбалансировка ротора, что необходимо учитывать при эксплуатации устройства. Выходы преобразователей 11 и 12 связаны также с устройством 14, вырабатывающим величину и знак угла j, на основании упомянутой ранее информации о величинах w_x и _y. Выработки угла может осуществляться, например, путем построения горизонтальной проекции вектора абсолютной угловой скорости по двум его составляющим, т. е. по w_x и _y.

При малых значениях угла , т. е. при начальном грубом ориентировании гиротеодолита вдоль меридиана, значение этого угла определяется как отношение w_x/_y. В состав устройства 14 может также входить привод автоматического совмещения оси Y блока 1 с направлением N, т. е. привод, поворачивающий блок 1 вокруг оси Z. В этом случае входным сигналом привода является значение -_x, которое обнуляется в процессе поворота блока 1, т. к. по мере поворота будет уменьшаться значение угла до нуля. Угол поворота привода относительно его первоначального положения будет равен углу j.

Выходы блока 2, на которых вырабатываются сигналы, пропорциональные силам, развиваемым электромагнитами подвеса, связаны с блоком 15. В этом блоке содержатся фильтры верхних частот и усилители, выделяющие переменные составляющие указанных сигналов пропорциональные переменным составляющим линейных ускорений вдоль осей симметрии электромагнитов подвеса ротора гироскопа. Выход блока 15 связан с вычислительным устройством 16, вырабатывающим поправку Dj к показаниям гиротеодолита, компенсирующей его ошибки, обусловленные вибрацией основания.

Уходы гироскопов со сферическим ротором в условиях вибрации основания имеют достаточно сложную зависимость от технологических дефектов их изготовления и свойств подвеса. Результирующие значения уходов зависит от амплитуды вибрационных ускорений, квадрата этой амплитуды, а также от направления вектора этих ускорений по отношению к оси вращения ротора и направлению силы тяжести. При этом уходы возникают как в плоскости вибрационных ускорений, так и в перпендикулярном направлении.

Так как из блока 15 поступает четыре сигнала, пропорциональных проекциям вектора линейных ускорений на четыре направления, лежащих в двух ортогональных плоскостях, пересекающихся по оси Z, то имеется возможность построить в каждый данный момент величину и направление вектора линейных вибрационных ускорений относительно системы координат X, Y, Z и вычислить значения уходов гироскопа вокруг осей X и Y.

Таким образом в блоке 16 производятся следующие операции:

определяется величина и положение вектора линейных вибрационных ускорений;

получается значение квадрата величины указанного вектора;

вычисляется величина и направление результирующего ухода;

определяются составляющие ухода гироскопа, Dw_x и _y вокруг осей X и Y;

определяются средние значения величин за время измерения;

определяется поправка согласно выражения



а для случая малого угла поправка вычисляется по формуле



Значения конкретных коэффициентов в модели уходов гироскопа определяется экспериментально для каждого данного образца гиротеодолита путем измерения и сигналов, вырабатываемых блоком 15, в процессе калибровки на вибрирующем основании при различных амплитудах и направлениях вибрации.

В случае, если гиротеодолит не предназначен для работы на вибрирующем основании, в его состав блоки 15 и 16 могут не входить.

Как показано на фиг. 2, измерительный блок 1 содержит гироскоп со сферическим ротором 17. Внутри ротора имеется осесимметричная полость, обеспечивающая необходимое соотношение моментов его инерции вокруг ортогональных осей. В нижней части ротора имеется цилиндрическое отверстие, связанное с внутренней полостью. Над ротором на некотором расстоянии расположен симметричный относительно вертикальной оси Z статор 18 пространственного магниторезонансного подвеса с сердечниками электромагнитов, имеющими в зоне взаимодействия с ротором поверхности сферической формы. Статор является основным элементом магниторезонансного подвеса. Клеммы 19 и 20 катушек электромагнитов статора 18 связаны через блоки демпфирования 21 и 22 с преобразователем питания 3, вырабатывающим переменное напряжение или ток. Каждый из этих блоков содержит конденсатор, образующий с электромагнитом последовательный резонансный контур, и два разнополярных однополупериодных выпрямителя, включенных между параллельно. Нагрузкой каждого выпрямителя являются параллельно соединенные между собой сопротивление и конденсатор.

Подвес ротора осуществляется за счет соответствующих изменений токов электромагнита статора 18 при перемещениях относительно него ротора, что обеспечивается применением настройки последовательных резонансных цепей. В блоках 21 и 22 вырабатываются также производные по огибающей переменных токов, протекающих через электромагниты.

Разнополярные выходы 23 и 24 блоков 21 и 22 через сумматор 25, например резистивный, связаны с выходом 4. При отклонении оси Z от вертикального напряжения нарушается равенство токов левого и правого электромагнитов статора 18, вследствие чего на выходе 4 появляется напряжение постоянного тока, пропорциональное упомянутому отклонению и соответствующей полярности.

Выходы 23 и 24 блоков 21 и 22 связаны также с блоком 15.

В состав измерительного блока 1 входит также статор 26, осуществляющий вращение ротора 17, и двухкоординатный дифференциальный индукционный датчик 27 со своим электронным преобразователем 28.

Статор 26 осуществляет начальный форсированный разгон ротора 17, а в дальнейшем выключается. При необходимости поддержания постоянной скорости вращения ротора на длительных интервалах времени статор 26 переводится из форсированного в номинальный режим работы.

Двухкоординатный датчик 27 является одновременно датчиком 10 угловых отклонений и датчиком 13 момента. Работа датчика 27 обеспечивается преобразователем 28 одним из известных способов, например, путем разделения сигналов во времени.

При необходимости получения большего уровня напряжений 4 и 5 в состав гиротеодолита помимо элементов, показанных на фиг. 2, вводятся разнополярные выпрямители 29, 30, связи которых с блоками 1, 21, 22 и 25 показаны на фиг. 3. Повышение крутизны сигналов 4 и 5 в этом случае обусловлено резонансными свойствами цепей подвеса ротора. Так как выпрямители 29, 30 подключены непосредственно к катушкам электромагнитов, выходящих в состав резонансных контуров подвесов, то вследствие высокой добротности контуров напряжения, поступающие на выпрямители, значительно превосходят соответствующие напряжения, появляющиеся на клеммах 23, 24 блоков 21, 22.

Аналогичным образом выполнены элементы подвеса ротора гироскопа гиротеодолита, работающие в вертикальной плоскости, проходящей через ось Y, т. е. расположенные в плоскости, перпендикулярной плоскости фиг. 2 и 3. Размеры измерительного блока 1 со всеми составными частями могут быть достаточно малыми и не превышать по диаметру 50 мм и такой же длине.

Энергопотребление гиротеодолита для обеспечения устройств, приведенных на фиг. 1 3, без автоматических приводов горизонтирования и разворота по азимуту не превышает 10 15 Вт.

Таким образом, заявленный гиротеодолит содержит двухкоординатный электронный уровень, трехкоординатный быстродействующий акселерометр и двухкоординатный гиротахометр с астатическим трехстепенным гироскопом или гиромаятником с вертикальной осью вращения ротора, по показаниям которых осуществляется начальная ориентация гиротеодолита, а также вычисление во вспомогательных блоках устройства угла j и поправок к нему, зависящих от ошибок горизонтирования и вибраций основания.

Основой измерительного блока заявленного гиротеодолита является сферический ферромагнитный ротор, удерживаемый в равновесном положении силами электромагнитного поля переменного тока, развиваемыми расположенным над ним статором магниторезонансного подвеса. Подвешенный таким образом ротор выполняет функции акселерометра, а также двухкоординатного электронного уровня. Поскольку ротор находится в условиях вакуума и может работать на выбеге, то точность работы такого устройства весьма высока.

В предложенном гиротеодолите в отличие от известных гироскопов с симметричным магнитным подвесом использован полусферический подвес ротора. Такое решение не только упрощает конструкцию гиротеодолита и сокращает его энергопотребление, но и способствует повышению точности работы. Последнее обстоятельство связано с тем, что ротор гироскопа автоматически центрируется относительно полусферы одного статора подвеса, расположенного над ним, в то время как при наличии двух статоров подвеса на точность работы гироскопа весьма существенно влияют изменения взаимного положения этих статоров.

Повышению точности работы гиротеодолита способствует также форма ротора, не содержащая каких-либо отверстий или других нарушений поверхности в зоне его взаимодействия со статором подвеса.

Основными техническими результатами, по сравнению с прототипом, достигнутыми в заявленном устройстве, как следует из вышеизложенного, являются существенное увеличение точности работы, сокращение времени готовности, габаритных размеров, веса и энергопотребления.

В состав предложенного гиротеодолита, также как и в других гиротеодолитах, могут входить оптический визир, измеритель угла поворота визира, основание для установки прибора на грунт или на шасси транспортного средства, а также другие устройства, номенклатура и конструкция которых зависят от особенностей применения гиротеодолита.