Способ и устройство для регулирования периода колебаний крутильного маятника

 

Изобретение используется при измерениях малых сил и моментов сил, импульсов ударов или как элемент, задающий период механических колебаний. Сущность способа: стержень, соединенный с колеблющейся подвижной частью, установленный вдоль оси подвеса, погружается в ванну с жидкометаллическим сплавом, температура которого может регулироваться. Торсионная упругость такого контакта стержень - жидкометаллический сплав зависит от температуры и уменьшается с ростом температуры. Изменяя температуру сплава, можно регулировать период колебаний маятника. Устройство для осуществления способа состоит из жестко скрепленного с подвижной частью крутильного маятника прямого стержня, в том числе круглого сечения, направленного вдоль оси вращения подвижной части крутильного маятника, нижним концом погруженного в ванну с жидкометаллическим сплавом, датчика температуры жидкометаллического сплава и нагревателя жидкометаллического сплава. Возможно автоматическое поддержание требуемого периода колебаний крутильного маятника, которое сводится к поддержанию постоянной температуры путем автоматического регулирования температуры ванны с жидкометаллическим сплавом. Техническим результатом изобретения является плавная регулировка периода колебаний крутильного маятника в вакууме либо в других изолированных объемах без нарушения герметичности замкнутого объема. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

Крутильный (торсионный) маятник и крутильные весы используются при измерениях малых сил и моментов сил, импульса удара либо приращения импульса, а также как элемент, задающий определенную частоту (либо период) механических колебаний в различных механических устройствах (например, часах) [1, 2]. Крутильный маятник представляет собой систему тел различной массы и формы, подвешенную на упругой нити (подвешенную чаще всего вертикально), совершающую малые колебания относительно положения равновесия. Основные технические требования к этому устройству - стабильность периода (частоты) колебаний, возможность плавной регулировки в определенных пределах, возможность автоматической регулировки, малое затухание колебаний.

При использовании крутильного маятника в измерительных приборах необходима высокая чувствительность, малое затухание, возможность регулировки частоты (периода) колебаний в широких пределах и возможность проводить такую регулировку без вскрытия замкнутого объема (в том числе и в вакууме). Механические способы регулировки состоят либо в изменении торсионной упругости нити подвеса изменением ее длины или диаметра, либо в изменении момента инерции подвешенной системы тел изменением массы тел либо их расстояния до оси вращения. В реальных конструкциях крутильных маятников эти способы дают возможность регулировать период колебаний в широких пределах, но эта регулировка производится вручную и автоматизировать ее невозможно. При помещении такого устройства в вакуум его регулировка без вскрытия герметичного объема практически невозможна. Способы плавной регулировки (в том числе автоматической) периода колебаний крутильных маятников в значительных пределах к настоящему времени в литературе неизвестны.

Задачей изобретения является разработка способа и устройства для плавной регулировки периода колебаний крутильного маятника в вакууме либо в других изолированных объемах без нарушения герметичности замкнутого объема.

Сущность предлагаемого нами способа регулировки периода колебаний крутильного маятника заключается в том, что жестко соединенный с подвесом стержень с осью, совпадающей с осью вращения подвеса, погружают в ванну с жидкометаллическим сплавом, например сплавом индий-галлий с составом, близким к эвтектическому, температура которого может изменяться (регулироваться) с помощью нагревателя. Торсионная упругость такого контакта зависит от температуры и имеет относительно большую величину при низких температурах (близких к затвердеванию сплава) и уменьшается с ростом температуры. Изменяя температуру ванны с жидким металлическим сплавом, можно в широких пределах регулировать период колебаний этого крутильного маятника. Для сплава галлий-индий при изменении температуры от 20^oC до 60^oC период может увеличиваться в несколько раз. Глубина регулирования периода зависит от момента инерции подвешенной части маятника, диаметра погружаемого в ванну стержня и других факторов и может составлять величину до нескольких раз в сторону уменьшения относительно значения его в отсутствие жидкометаллического сплава. По установленной зависимости периода колебаний крутильного маятника от температуры жидкого сплава устанавливают требуемый период колебаний. Например, на фиг. 2 представлена зависимость периода колебаний весов от температуры жидкого металлического сплава (InGa) при условиях: момент инерции весов 50·10^-6 кгсм², нить подвеса - вольфрам диаметром 80 мкм длиной 100 мм, стержень из нержавеющей стали диаметром 1 мм.

Ванна с жидким при комнатной температуре сплавом галлий-индий вносит относительно небольшое затухание в период колебаний, механическая добротность составляет величину порядка 20, что только в 2-3 раза меньше, чем у свободно подвешенного крутильного маятника на воздухе.

Устройство для осуществления способа содержит ванну с жидкометаллическим сплавом индий-галлий с составом близким к эвтектическому, температура которого может изменяться (регулироваться) с помощью нагревателя, датчик температуры для контроля температуры жидкого сплава и жестко соединенный с подвесом стержень, ось вращения которого совпадает с осью вращения подвеса, погружаемого в ванну с жидкометаллическим сплавом. Устройство для автоматического регулирования дополнительно содержит электронный блок для автоматического поддержания требуемой температуры жидкометаллического сплава.

На фиг. 1 представлено схематическое изображение крутильного маятника с регулировкой периода колебаний. Здесь: 1 - упругая нить подвеса, 2 - жесткая система тел, 3 - стержень, направленный вдоль оси подвеса, 4 - ванна с жидкометаллическим сплавом, 5 - нагреватель, 6 - датчик температуры, 7 - электронный блок автоматического регулирования температуры, 8 - источник тока, 9 - регулятор тока.

На фиг. 2 представлена зависимость периода колебаний весов от температуры жидкого металлического сплава (InGa) при условиях: момент инерции весов 50·10^-6 кгсм², нить подвеса - вольфрам диаметром 80 мкм длиной 100 мм, стержень из нержавеющей стали диаметром 1 мм.

На фиг. 3 представлена блок-схема устройства для автоматического поддержания периода колебаний крутильного маятника, где: 1 - упругая нить подвеса, 2 - жесткая система тел, 3 - стержень, направленный вдоль оси подвеса, 4 - ванна с жидкометаллическим сплавом, 5 - нагреватель, 6 - датчик температуры, 7 - электронный блок автоматического регулирования температуры, 4 - нагреватель, 5 - крутильный маятник, 6 - датчик температуры, 8 - источник тока, 9 - регулятор тока.

Предлагаемое изобретение осуществляется следующим образом. Подвешивают жесткую систему тел 2 к упругой нити 1 так, чтобы вертикаль, проходящая вдоль оси нити подвеса, проходила через центр тяжести подвешенной системы тел. Присоединяют к подвешенной системе тел прямой стержень 3 такой длины, чтобы он доставал до ванны с жидкометаллическим сплавом 4 и был погружен в этот сплав на несколько миллиметров так, чтобы продольная ось этого стержня была соосна с нитью подвеса. Диаметр стержня от долей миллиметра до нескольких миллиметров. Диаметр ванны 4 с жидким сплавом порядка 5-10 мм, глубина жидкого сплава - несколько миллиметров. Около ванны с жидкометаллическим сплавом устанавливают нагреватель 5 и датчик температуры 6. Выводы нагревателя 5 и датчика температуры 6 подсоединяют к источнику тока 8 и ко входу электронного блока автоматического регулирования температуры 7, соответственно. Помещают этот крутильный маятник в требуемый объем (изолированный либо вакуумированный, в зависимости от задачи) и приводят его в крутильные колебания. Изменяя температуру жидкометаллического сплава в ванне, вызывают изменение периода колебаний этого крутильного маятника. При повышении температуры жидкого сплава период колебаний увеличивается, при понижении температуры период колебаний уменьшается. При температуре ниже температуры плавления сплава колебания невозможны, так как сплав становится твердым.

Таким образом, изменяя температуру жидкометаллического сплава в ванне, регулируют период колебаний крутильного маятника, и, устанавливая определенную температуру жидкого сплава в ванне, получают требуемый период колебаний крутильного маятника.

Устройство для автоматического поддержания заданного периода колебаний содержит электронный блок для автоматического регулирования температуры (например, типа TYPE 01 Т4 производства ГДР либо иной) со шкалой установки требуемой температуры, термопары медь-константан либо другого типа, источника тока напряжением 3-12 В, соединенных по схеме, представленной на фиг. 3. Автоматическое регулирование требуемого периода колебаний крутильного маятника сводится к поддержанию постоянной температуры путем автоматического регулирования температуры ванны с жидкометаллическим сплавом.

Основное применение такая регулировка находит при подвесе крутильного маятника в вакууме либо в других изолированных объемах, так как температуру ванны можно легко регулировать, не нарушая герметичности замкнутого объема, сделав подводы для электронагревателя и измерителя температуры (датчика температуры).

Литература 1. С.П.Стрелков, Механика, "Наука", 1965.

2. Физический практикум. Механика и молекулярная физика, под ред. В.И. Ивероновой, "Наука", 1967.

Формула изобретения

1. Способ регулировки периода колебаний крутильного маятника, отличающийся тем, что жестко соединенный с подвесом стержень с осью, совпадающей с осью вращения подвеса, погружают в ванну с жидкометаллическим сплавом InGa с составом, близким к эвтектическому, регулируют с помощью нагревателя температуру жидкометаллического сплава в ванне, по установленной зависимости периода колебаний крутильного маятника от температуры жидкого сплава устанавливают требуемый период колебаний.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что период колебаний крутильного маятника регулируют автоматически.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что проводят регулировку периода колебаний крутильного маятника в замкнутом объеме (в том числе в вакууме).

4. Устройство для регулирования периода колебаний крутильного маятника, отличающееся тем, что содержит ванну с жидкометаллическим сплавом InGa с составом, близким к эвтектическому, нагреватель для изменения температуры жидкого сплава, датчик температуры для контроля температуры жидкого сплава и жестко соединенный с подвесом стержень, ось вращения которого совпадает с осью вращения подвеса, погружаемого в ванну с жидкометаллическим сплавом.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что дополнительно содержит электронный блок для автоматического поддержания требуемой температуры жидкометаллического сплава.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3