Способ определения усилий

 

Использование: измерение статических и динамических усилий в металлургической, машиностроительной, энергетической и других отраслях промышленности. Сущность изобретения: в процессе определения усилий измеряют амплитуду ультразвуковых колебаний, отраженных от дна 6 отверстия 7 и зоны контакта цилиндров 1 и 2, и по их отношению определяют величину усилий. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области измерения сил и может быть использовано для измерения статических и динамических усилий в металлургической, машиностроительной, энергетической и других отраслях промышленности.

Известен способ определения усилий, при котором через чувствительный элемент пропускают ультразвуковые колебания и определяют величину усилий [1] Способ основан на связи скорости распространения ультразвуковых волн и внутренних напряжений в той части силовоспринимающего элемента, через которую проходит волна.

Недостатком известного способа является малая чувствительность, объясняемая тем, что скорость звука в напряженном материале меняется незначительно (порядка 0,17 0,7%). Это требует достаточно точной и чувствительной аппаратуры, способной измерять временные задержки, сравнимые с долями микросекунд.

Известен другой способ определения усилий, при котором через чувствительный элемент, представляющий собой два твердых тела с зоной контакта между ними, образованной поверхностями с заданным значением шероховатости, в направлении этой зоны пропускают ультразвуковые колебания и измеряют величину амплитуды прошедших через эту зону или отраженных от этой зоны ультразвуковых колебаний [2] В этом способе величину усилий определяют по отношению величины амплитуды колебаний, прошедших через зону контакта поверхностей, к величине амплитуды излученных ультразвуковых колебаний.

Этот способ обладает большей чувствительностью, т.к. при нагружении силовоспринимающего элемента значительно меняется площадь зоны контакта (на 10 12%) шероховатых поверхностей, аналогично изменяется амплитуда ультразвуковых колебаний, прошедших через эту зону или отраженных от нее.

По технической сущности этот способ является наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению и может быть выбран в качестве прототипа.

Недостатком этого способа является следующее.

Определение усилий по отношению величины амплитуды излученных ультразвуковых колебаний к величине амплитуды ультразвуковых колебаний, прошедших или отраженных от зоны контакта тел, вносит существенную погрешность в результат измерения. Это объясняется следующим. Амплитуда излученных колебаний, по отношению к которой определяют величину усилий, является заданной постоянной величиной. Стабильность ее значения зависит от свойств только аппаратуры. На амплитуду же колебаний, проходящих через чувствительный элемент, существенное влияние оказывают такие факторы, как дислокационные явления, происходящие в чувствительном элементе при его нагружении, изменение свойств материала источника ультразвуковых колебаний, связанное с его старением, температурное воздействие окружающей среды, а также изменение состояния контактного слоя жидкости между источником ультразвуковых колебаний и чувствительным элементом. Учесть влияние этих факторов довольно сложно, поскольку степень их проявления зависит от конкретных условий измерения усилий. Поэтому в разных условиях измерения при одних и тех же значениях величины усилий величина отношения сравниваемых амплитуд будет разной.

В основу настоящего изобретения положена задача создать такой способ определения усилий, который позволил бы исключить влияние на результат измерения таких факторов, как дислокационные явления в чувствительном элементе, изменение температуры окружающей среды, изменение свойств материала источника ультразвуковых колебаний, а также изменение состояния контактного слоя жидкости.

Поставленная задача решается благодаря усовершенствованию известного способа определения усилий, при котором через чувствительный элемент, представляющий собой два твердых тела с зоной контракта между ними, образованной поверхностями с заданным значением шероховатости, в направлении этой зоны пропускают ультразвуковые колебания и измеряют величину амплитуды прошедших через эту зону или отраженных от этой зоны ультразвуковых колебаний.

Усовершенствование заключается в том, что в процессе определения усилий измеряют амплитуду ультразвуковых колебаний, отраженных от сформированной в зоне распространения ультразвуковых колебаний отражающей поверхности, а величину усилий определяют по отношению величины амплитуды ультразвуковых колебаний, отраженных от этой поверхности, к величине амплитуды колебаний, прошедших или отраженных от зоны контакта тел.

Кроме того, усовершенствование заключается и в том, что в процессе определения усилий величину амплитуды ультразвуковых колебаний, отраженных от отражающей поверхности, сравнивают с заданным ее значением и при превышении этого значения уменьшают амплитуду пропускаемых через чувствительный элемент ультразвуковых колебаний, а при снижении увеличивают.

Амплитуда ультразвуковых колебаний, отраженных от сформированной в зоне распространения ультразвуковых колебаний отражающей поверхности, остается постоянной величиной независимо от величины приложенных к чувствительному элементу усилий, что позволяет использовать ее в качестве опорного значения при определении усилий. При этом на величину указанной амплитуды, так же как и на величину амплитуды ультразвуковых колебаний, прошедших через зону контакта тел, влияют перечисленные выше факторы. Таким образом, при определении усилий по отношению величины амплитуды ультразвуковых колебаний, отраженных от сформированной в зоне распространения ультразвуковых колебаний отражающей поверхности, к величине амплитуды колебаний, прошедших или отраженных от зоны контакта тел, исключается влияние этих факторов на результат измерения.

Кроме того, сравнение величины амплитуды ультразвуковых колебаний, отраженных от отражающей поверхности, с заданным ее значением позволяет поддерживать величину амплитуды ультразвуковых колебаний, пропускаемых через чувствительный элемент, на заданном уровне, что исключает влияние на результат измерения усилий наличие факторов, связанных с процессом старения источника ультразвуковых колебаний, вызывающим изменение его свойств, а также изменением состояния контактного слоя жидкости.

На чертеже показан общий вид устройства для определения усилий, позволяющего реализовать заявляемый способ. Стрелками на чертеже показано направление распространения ультразвуковых колебаний.

Устройство содержит чувствительный элемент, представляющий собой два твердых тела, выполненных, например, в виде двух стальных цилиндров 1 и 2 с зоной контакта между ними, образованной поверхностями А и Б, имеющими заданное значение шероховатости. В цилиндре 1 выполнено углубление 3, в котором размещен направленный в сторону зоны контакта цилиндров 1 и 2 пьезопреобразователь 4. Между пьезопреобразователем 4 и цилиндром 1 имеется слой 5 жидкости, необходимой для введения ультразвуковых колебаний в чувствительный элемент. Пьезопреобразователь 4 может выполнять функции источника и приемника ультразвуковых колебаний. Между пьезопреобразователем 4 и зоной контакта цилиндров 1 и 2 сформирована отражающая поверхность, в качестве которой может быть использовано, например, плоское дно 6 глухого отверстия 7, выполненного со стороны поверхности А в цилиндре 1. Электронная часть устройства содержит импульсный генератор 8 ультразвуковых колебаний, усилитель 9, блок 10 сравнения величины амплитуды ультразвуковых колебаний, отраженных от дна 6 с ее заданным значением, и блок 11 сравнения амплитуд ультразвуковых колебаний, отраженных от дна 6 и зоны контакта цилиндров 1 и 2.

Способ осуществляют следующим образом.

С помощью импульсного генератора 8 возбуждают пьезопреобразователь 4. Возникающие при этом импульсы ультразвуковых колебаний распространяются в направлении зоны контакта цилиндров 1 и 2, попадая также на плоское дно 6 отверстия 7. Отражаясь от дна 6 и зоны контакта цилиндров 1 и 2, импульсы ультразвуковых колебаний возвращаются на пьезопреобразователь 4, где преобразуются в электрический сигнал. При этом за счет разной длины пути до преобразователя 4 отраженные импульсы будут разделены по времени. Преобразованные в электрический сигнал импульсы ультразвуковых колебаний усиливают, после чего измеряют их амплитуду. При нагружении чувствительного элемента величина амплитуды импульса ультразвуковых колебаний, отраженного от зоны контакта цилиндров 1 и 2, будет меняться пропорционально приложенным усилиям, в то время как величина аплитуды ультразвуковых колебаний, отраженных от дна 6 отверстия 7, будет оставаться неизменной. По отношению величин этих амплитуд определяют величину усилий.

Для устранения погрешностей, связанных с изменением свойств пьезопреобразователя 4 или изменением толщины контактного слоя 5 жидкости в процессе определения усилий величину амплитуды ультразвуковых колебаний, отраженных от дна 6 отверстия 7, сравнивают с ее заданным значением, в качестве которого используют значение величины амплитуды ультразвуковых колебаний, отраженных от дна 6 отверстия 7, при ненагруженном состоянии чувствительного элемента. Для этого перед началом определения усилий измеряют величину амплитуды колебаний, отраженных от дна 6, и заносит его в блок 10 сравнения. В процессе определения усилий сравнивают это значение с фактической величиной амплитуды отраженных от дна 6 колебаний. При отклонении величины амплитуды этих колебаний в сторону уменьшения или увеличения от заданного значения соответственно увеличивают или уменьшают величину амплитуды пропускаемых через чувствительный элемент ультразвуковых колебаний.

Формула изобретения

1. Способ определения усилий, заключающийся в том, что через чувствительный элемент, представляющий собой два твердых тела с зоной контакта между ними, образованной поверхностями с заданным значением шероховатости, в направлении этой зоны пропускают ультразвуковые колебания и измеряют величину амплитуды прошедших или отраженных от зоны контакта тел ультразвуковых колебаний, отличающийся тем, что дополнительно измеряют величину амплитуды ультразвуковых колебаний, отраженных от сформированной в зоне распространения ультразвуковых колебаний отражающей поверхности, а величину усилий определяют как отношение величины амплитуды ультразвуковых колебаний, отраженных от указанной отражающей поверхности, к величине амплитуды ультразвуковых колебаний, прошедших или отраженных от зоны контакта тел.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе измерения величины амплитуды ультразвуковых колебаний, отраженных от отражающей поверхности, ее сравнивают с заданным значением и при превышении этого значения уменьшают величину амплитуды ультразвуковых колебаний, пропускаемых через чувствительный элемент, а при снижении увеличивают.

РИСУНКИ

Рисунок 1