Датчик силы

 

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано при разработке силои весоизмерителей, работающих в высокоточных измерительных системах с высокой защищенностью от изменений температуры и других влияний окружающей среды. Цель - повышение точности. Измеряемое усилие воздействует на один из двух идентичных полуволновых объемных резонаторов - резонатор 1, выполненный в виде герметичного цилиндра, что приводит к деформации упругих боковых стенок последнего и уменьшению расстояния между катушками возбуждения 3 и съема 4 колебаний, включенными в обратную связь усилителя 13. Второй резонатор 7 с катушками 9 и 10 и усилителем 15 ненагружен и служит для компенсации влияния изменений окружающей среды. Выходные сигналы усилителей 13 и 15 подаются на входы смесителя 17, разностный выходной сигнал которого через фильтр 19 низкой частоты поступает на частотомер 21. Для возможности регулировки выходного сигнала в торцах цилиндров установлены регулировочные поршни 5, 11, соответственно. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

Г ОЦИАПИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„„SU „„1578526

А1 (51)5 G 01 L 1/10

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4254895/24-10 (22) 01.06.87 (46) 15.07.90. Бюл, Р 26 (75) З.П.Носова (53) 531.781 (088.8) (54) ДАТЧИК СИЛЫ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И OTHPbfTHAM

ПРИ ГКНТ СССР (56) Дробов С. А., Бычков С. И. Радиопередающие устройства. М., 1969, с. 451-452, рис. 16. 14.

Милохин Н.Т. Частотные датчики систем автоконтроля и управления.

М., 1968, с. 58, рис . 2-2 1а . (57) Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано при разработке сило- и весоизмерителей, работающих в высокоточных измерительных системах с высокой защищенностью от изменений температуры и других влияний окружающей среды.

Цель — повышение точности. Измеряемое усилие воздействует на один из двух идентичных полуволновых объемных резонаторов — резонатор 1, выполненный в виде герметичного цилиндра, что приводит к деформации упругих боковых стенок последнего и уменьшению расстояния между катушками возбужден .я 3 и съема 4 колебаний, включенными в обратную связь усилителя 13 ° Второй резонатор 7 с катушками 9 и 10 и усилителем 15 ненагружен и служит для компенсации влияния изменений окружающей среды. Выходные сигналы усилителей 13 и 15 подаются на входы смесителя, разностный выходной сигнал которого через фильтр 19 низкой частоты поступает на частотомер 2 1, Для возможности регулировки выходного сигнала в торцах цилиндров установлены регулировочные поршни 5, 11, соответственно. 3 ил.

1578526

Изобретение относится к приборостроению, в частности к силоизмерительным преобразователям, и может быть использовано в весах.

Пель изобретения — повышение точ5 ности.

На фиг. 1 изображена блок-схема датчика силы; на фиг. 2 — цилиндрический упругий элемент; на фиг. 3 — упругий элемент в виде сильфона.

Датчик силы содержит полуволновый объемный резонатор 1, который имеет внутренюю цилиндрическую полость 2, внутри которой размещены датчики 3 и

4 перемещения, выполненные в виде катушек любой конструкции. Размещение и положение витков катушек должно быть таким, чтобы обеспечивались максимально высокая добротность резона- 20 тора и надежная работа генератора при его самовозбуждении и в процессе эксплуатации. Одна из отражающих поверхностей резонатора, например нижняя, выполнена подвижной в виде поршня 5. 25

Поршень 5 предназначен для настройки на резонансную частоту, при достижении которой расстояние между верхней и нижней отражающими поверхностями равно одной полуволне Я /2 электро- 30 магнитного пля, при этом

?. = Л/2, (1) где L — расстояние между отражающими поверхностями.

Расстояние между катушками 3 и 4, в качестве которых могут быть использованы и отрезки проводников типа штурей, петель или полупетель, выби-. раются таким, чтобы между ними достигалась достаточно большая связь по электромагнитному полю, Резонатор 1

40 установлен на опорной плите 6. Резонатор 7 выполнен аналогично резонатору 1, при этом название и назначение элементов 8-11 в точности соответст45 вует названию и назначению элементов

2-5. Резонатор 7 установлен на опорной плите 12. Катушки, (датчики перемещения) 3 и 4 соединены соответственно с выходом и входом электронного усилителя 13, выполненного на транзисторе или радиолампе, причем катушка (датчик перемещения) 3 предназначена для накачки электромагнитной энергии в резонаторе, а катушка (датчик перемещения) 4 предназначена для отвода части этой энергии на вход .усилителя 13 для его самовозбуждения, 8. совокупности резонатор с элементами 3-5 и усилитель 13 образуют измерительный генератор с напряжением U питания. Этот генератор может быть сверхвысокочастотным и работать в гигагерцовом диапазоне частот. Если частота не превьш ает более 1500 ИГц, то связь генератора осуществляется по проводу, в случае более высоких частот эта связь осуществляется через волновод 14, называемый ответвителем. Резонатор 7 со всеми входящими элементами 8-11 подключен к входу усилителя 15, аналогичному усилителю

13. В совокупности они образуют генеI òoð опорной частоты, подключенный через связь 16 к индикатору 17, выполненному в виде частотомера, проградуированного в единицах веса. Частотомер выполнен цифровым и может производить вычитание или деление подаваемых на него частот f u f

1 2

На фиг. 2 и фиг. 3 приведена конструкция полуволнового резонатора, выполненного в виде цилиндра, с резонансной частотой, равной

f = с/Е(2) (2)

> где с — скорость распространения электромагнитной волны внутри резонатора.

Для увеличения добротности, достигающей в этом случае порядка нескольких сотен тысяч, необходимо стенки резонатора полировать, золотить или серебрить, а из внутренней .полости (или 8) резонатора 2 выкачать воздух.

Резонатор (фиг. 2), выполненный в виде цилиндра, предназначен для весов большой грузоподъемности (единицы и десятки или сотни тонн), а резонатор (фиг. 3) — для весов меньшей грузоподъемности. Внутри сильфона может быть размещена пружина.

Возможен также вариант выполнения упругого элемента на базе использования резины или другой композиции, причем в этом случае должна быть предусмотрена экранировка .элементов полуволнового объемного резонатора, выполняемых аналогично упругому элементу, изображенному на фиг. 3.

В резонаторах 1 и 7 могут быть размещены .усилители 13 и 15 с элементами связи, что приводит к повышению точности весов за счет повышения стабильности генераторов,.

Датчик силы работает следующим образом.

На грузоприемную платформу (не показана) действует сила (вес) Р, передаваемая через шар на резонатор

1. При этом происходит деформация стенок, в результате чего расстояние между отражающими поверхностями (поршень 5 и поверхность А) уменьшается в соответствии с законом Гука. Режим линейной деформации выбирают в зависимости от веса, в соответствии с чем измерительный генератор изменяет свою, частоту, которая будет равна

f = С/(Ь-Т) (2) (3) где I — - уменьшение расстоянйя L вследствие воздействия веса P на резона45 15785

На фиг, 1 изображен датчик силы для одноопорного взвешивания. Предлагаемые весы могут быть использованы и для многоопорного взвешивания, если испольэовать не пару резонаторов, а, например, втрое больше, подключаемых к индикатору (частотомеру) 17 поочередно с помощью специально введенного коммутатора (не показан). При этом суммарный вес будет равен сумме полученных весов. Грузоприемная платформа выполнена общей. Груз или сила P передается на измерительный резонатор 1 через шар, для которого выполнено специальное место.

Поршень 5 предназначен для первоначальной установки измерительного генератора на нужную частоту. Поршень

11 предназначен- для обнуления в про- 20 цессе эксплуатации. Резонатор 7 силой веса не нагружается (фиг. 1) и предназначен исключительно для температурной компенсации и обнуления. Если весы предназначены для работы в ста- 25 бильных температурных условиях, то резонатор 7 может быть заменен кварцевым, тогда на выходе усилителя 15 необходимо включить умножитель частоты. Обнуление частоты можно производить в этом случае с помощью поршня 5.

Смеситель частоты подключен через связь 18 к входу фильтра 19 низких частот, Выход филтра через связь 20 соединен с частотомером 21, выполняющим функции индикатора, проградуироI

:ванного к единицах веса. Остальные элементы аналогичны элементам, рассмотренным выше (А — отражающая по40 верхность), 26 6 тор 1, при этом для цилиндрического упругого элемента:

I = PL/ES (4) где Š— модуль упругости Юнга материала, из которого выполнен упругий элемент;

S — площадь поперечного сечения упругого элемента.

Сигналы частот fr " Г, где У в частота опорного генератора, равная

С/L(2)о, поступают через волновод

14 и связь 16 (фиг. 1) на индикатор (частотомер) 17, где происходит вычитание этих частот: f э = f — f . Индикатор (частотомер) 17 проградуирован в единицах веса. В частном случае с помощью индикатора (частотомера)

17 искомый вес может быть определен как отношение частот f„/f . При этом учитываются все числа, полученные после единицы, которая должна быть отброшена.

После определения разности частот

f> с помощью элементов 17 и 19 определяют вес (силу). С помощью фильтра

19 низких частот выделяется разностная частота ;, поступаемая затем на вход частотомера 21, проградуированного в единицах веса. Предварительно перед взвешиванием, т.е. при

P = О, весы обнуляются с помощью перемещения поршня 11, а частота f> должна быть равна нулю.

Пример. Пусть высота резонатора 1 будет равна 21,2 см. Для увеличения хода Т в стенках резонатора (см. фиг. 2) выполняют канавки или используют материал с относительно небольшим значением модуля Е, например бериллиевую бронзу Бр-Б2. В соответствии с формулой (2) при Р = 0 резонансные частоты резонаторов 1и 7 .должны быть равны, т,е.

f „= f = 3 tp /21,2(2) — 1000 ИНк, где с = 3,10f0 см/с.

Допустим, будем взвешивать вес, равный 1000 кг, При этом деформация резонатора 1 составит 2 мм. В соответствии с выражением (3) частота измерительного генератора будет равна и = С/(Т.-1) (2)о, 30.101о/(21 2 — 0,2) (2) = 1010151116 Hz

Резонансная частота на табло индикатора (частотомера) 17 (фиг. I) без градуировки его в единицах веса равна 1578526

1010151116 - 1000000000

10151116 Hz

Частота на .один грамм измеряемого веса равна

f„ = Е /P 10,15 Нг/18

Обратная величина I/f „= q

1R 1

0,0985 g/Hz.

Пусть добротность изготовленного ,,резонатора будет равна Q = 4 10 . Тогда максимальная флюктуация частоты за 1 с будет равна

F (Е, + f1 )/2Q = (1010151116 +

+ 1000000000) /2 400000 = 2517 Hz

Погрешность в измеряемом весе при этом составляет

D > = F. q = 2517 0,0985 246,3g =

= 0,246 Kg

Относительная погрешность в процен-20 тах равна П, = 0,0246

В действйтельности, используя частотомер можно производить измерения получив выигрыш по точности в (Т) о

100 о = 10 раз. 25

В формуле (3) в величину расстояния Ь входит также и расстояние между отражающими поверхностями, изменяемое за счет обнуления движением поршня 5 или 11, т е. L = 1. „ + ?,,; 30 где L — расстояние, изменяемое с помощью поршней 5 или 11;

Ь„ - расстояние, которое органами обнуления изменить нельзя.

Наибольший ход может быть получен

35 .при использовании различного рода

- оболочек, например сильфонов, сфер, цилиндров и др., а также путем выбора оптимальной толщины стенок резонаторов, материала, конфигурации, длины и других параметров. Это позволяет получить желаемую точньсть весов.

Следует также отметить, что большой динамический диапазон взвешивания, достигаемый в предлагаемой конструкции весов. Например, указанный ранее вес 1000кг можноизмерять с большой точностью беэ необходимости переключения датчиков и других электронных устройств.

Формула изобретения

Датчик силы, содержащий измерительный и компенсационный преобразователи, каждый иэ которых выполнен в виде упругого элемента и связанных между собой возбудителя и приемника колебаний, в виде катушек индуктивности, два усилителя, входы которых подключены к соответствующему возбудителю, а выходы — к приемнику колебаний, и частотомер, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены смеситель частоты и фильтр низких частот, упругие элементы выполнены в виде идентичных герметичных цилиндрических камер с упругими боковыми стенками и регулировочных поршней, установленных с возможностью перемещения в одном иэ торцов цилиндров, во внутренней полости которых установлены соответствующие возбудитель и приемник колебаний, акустически связанные между собой, при этом выходы усилителей подключены через смеситель частоты и фильтр низких частот к входу частотомера.

1578526

Оп берстие для дьио3а тра/а7

4 /

/4(1б)

-LI юг г

Составитель М.Жуков

Редактор А.Ревин Техред Л.Серд1окова Корректор Т.Палий

Заказ 1908 Тираж 474 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СЧСР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101