Устройство для взвешивания массы в невесомости
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для взвешивания масс в условиях невесомости, космического полета. Устройство содержит платформу, контейнер с размещенной в нем массой, блок управления, датчик положения и индикатор. В него дополнительно введены статор, жестко закрепленный на платформе, и частотомер. Выход частотомера соединен с входом индикатора, вход частотомера соединен с выходом статора, вход которого соединен с выходом блока управления, вход которого соединен с выходом датчика положения. Контейнер выполнен в виде сферы с углублениями в экваториальной области, а внутренняя поверхность статора имеет сферическую форму. Технический результат заключается в повышении точности измерения масс в невесомости. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения масс в условиях невесомости, космического полета, на орбитальных космических станциях, где невозможно измерение массы на основе действия силы тяжести в земных условиях, например, для измерения результатов химических или биологических опытов.
Известен измеритель массы [1], основанный на измерении резонансной частоты механических колебаний массы, упруго связанной с основанием. В качестве упругого элемента используется пьезоэлектрический преобразователь.
Недостатком известного устройства является малый диапазон измеряемых масс, что обусловлено высокой (1 МГц) собственной частотой пьезоэлектрического преобразователя. При уменьшении частоты пьезоэлектрического преобразователя уменьшается чувствительность устройства и понижается точность измерения.
Известно "Устройство для измерения массы тела в невесомости" [2], содержащее контейнер для размещения измеряемой массы, платформу, электродвигатель и датчик положения (силоизмерительный элемент), установленный между контейнером и платформой.
Устройство позволяет измерять массу в невесомости путем сообщения контейнеру с измеряемой массой постоянного ускорения и измерения с помощью датчика положения силы инерционного воздействия контейнера на платформу, величина которой пропорциональна массе. При этом режим равноускоренного движения создается равномерным вращением платформы с помощью электродвигателя. Однако при этом поле ускорений в зоне измерений существенно неравномерно, т.к. ускорения точек измеряемой массы различны и зависят от расстояния каждой точки массы до оси вращения и направлены по радиусу, соединяющему точку массы с центром вращения. При измерении массы неравномерность поля ускорений вызывает его деформацию, что приводит к погрешности измерений и неточности измерения массы.
Наиболее близким по конструкции техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является "Устройство для измерения массы тела в невесомости" [3], содержащее контейнер для размещения измеряемой массы, платформу, каретку, первый и второй электродвигатели и датчик положения, установленный между контейнером и платформой. Устройство снабжено прямолинейными направляющими, двумя валами, с первой тормозной муфтой на одном из них и первым электродвигателем со стабилизированной угловой скоростью на другом, установленными перпендикулярно направляющим, гибкой нерастяжимой лентой постоянной толщины, установленной на роликах вдоль направляющих. При этом концы ленты жестко закреплены на валах и свернуты в рулоны вокруг каждого из них. Платформа установлена на направляющих с возможностью продольного перемещения и жестко связана с лентой. Второй электродвигатель установлен на валу соосно с первой тормозной муфтой и второй тормозной муфтой, установленной на валу второго электродвигателя. Устройство снабжено также концевыми выключателями, блоком управления, входы которого подключены к выходам концевых выключателей, а выходы - к первому и второму электродвигателям.
В исходном положении лента намотана на катушку, приводимую во вращение вторым электродвигателем (электродвигатель обратной перемотки). Каретка находится в начале направляющих. Масса, которая подлежит измерению, размещается в контейнере, который через датчик положения соединен с кареткой. Переключатель блока управления ставится в положение "Измерение". По сигналу с блока управления тормозные муфты отключаются, на первый электродвигатель подается рабочее (полное) напряжение, а на второй электродвигатель подается малое напряжение для создания подтормаживающего момента. На катушку, вращаемую с постоянной угловой скоростью первым электродвигателем, наматывается лента, при этом второй электродвигатель создает противодействующий момент, удерживая ленту в натяжении.
Поскольку при вращении катушки радиус рулона ленты возрастает линейно во времени, движение ленты и жестко связанной с ней каретки происходит с постоянным ускорением, величина которого прямо пропорциональна толщине ленты и квадрату угловой скорости вращения катушки. Под действием инерционной силы, равной произведению ускорения, с которым движется каретка, на массу контейнера, контейнер смещается относительно каретки. Величина смещения контейнера измеряется датчиком положения и индицируется на указателе, отградуированном в единицах массы. В конце движения (по окончании процесса измерения) по направляющим каретка воздействует на концевой выключатель, сигнал с которого через блок управления снимает напряжение питания с первого и второго электродвигателей и включает первую и вторую тормозные муфты, которые фиксируют положение катушек и ленты. Для приведения устройства в исходное положение переключатель блока управления ставится в положение "Перемотка". При этом выключаются первая и вторая тормозные муфты, а второй электродвигатель запитывается рабочим напряжением.
Данное устройство позволяет обеспечить равномерное поле ускорений всех точек массы путем его поступательного движения вместе с кареткой и тем самым повысить точность измерения в условиях невесомости массы по сравнению с известными устройствами.
Использование в качестве привода электродвигателя со стабилизированной угловой скоростью и обеспечение равноускоренного движения платформы путем равномерного изменения радиуса шкива первого (приводного) электродвигателя при намотке на его вал нерастяжимой ленты постоянной толщины позволяет несколько повысить точность измерений.
Недостатком устройства-прототипа является низкая точность измерения массы в невесомости. Причиной, препятствующей получению более высокой точности при использовании известного устройства-прототипа, является механическая природа создания усилия, воздействующего на контейнер и наличие сил трения во всех механических узлах двигателях, местах крепления катушек, роликах.
Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство для измерения массы в невесомости, являются устранение влияния сил трения.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявленного изобретения, является повышение точности измерения масс в невесомости.
Указанный технический результат достигается тем, что в известное устройство для измерения массы в невесомости, содержащее платформу, контейнер, с размещенной в нем измеряемой массой, блок управления, датчик положения и индикатор, введены статор, жестко закрепленный на платформе, и частотомер, выход которого соединен с входом индикатора, вход частотомера с выходом статора, вход которого соединен с выходом блока управления, вход блока управления соединен с выходом датчика положения, контейнер выполнен в виде сферы с углублениями в экваториальной области, внутренняя поверхность статора имеет сферическую форму, причем контейнер выполнен из ферромагнитного материала.
Совокупность существенных признаков изобретения обеспечивает повышение точности измерения массы в невесомости. Использование в качестве электромагнитного подвеса статора, имеющего сферическую форму, и контейнера, выполненного из ферромагнитного материала в виде сферы с углублениями в экваториальной области, обеспечивает бесконтактную левитацию контейнера с измеряемой массой, что позволяет устранить влияние сил трения. Бесконтактная левитация обеспечивается взаимодействием электромагнитного поля, создаваемого статором и контейнером, и позволяет задавать усилия и измерять перемещения в устройстве для измерения массы в невесомости и обеспечивать бесконтактную левитацию контейнера с измеряемой массой, что, в свою очередь, приводит к устранению влияния сил трения, а применение вращения относительно измерительной оси препятствует перемещению деформируемых измеряемых масс за счет создания центробежных сил.
Проведенный заявителем анализ уровня техники и сопоставительный анализ с прототипом позволяют сделать вывод, что заявляемое устройство отличается от известных технических решений и аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественным всем признакам заявленного устройства для измерения массы в невесомости, отсутствуют. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует критерию "новизна".
Результаты поиска известных технических решении в данной и снежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.
Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата и изобретение не основано на:
- дополнении известного устройства-прототипа какой-либо известной частью, присоединяемой к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно этого дополнения;
- замене какой-либо части устройства-аналога другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такого дополнения;
- исключении какой-либо части устройства-аналога с одновременным исключением, обусловленной ее наличием функции и достижением обычного для такого исключения результата;
- увеличении количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в устройстве именно таких элементов;
- выполнении известного устройства-аналога или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами материала;
- создании устройства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого устройства и связей между ними;
- изменении количественного признака (признаков) устройства и предоставлении таких признаков во взаимосвязи либо изменение вида взаимосвязи, если известен факт влияния каждого из них на технический результат и новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены исходя из известных зависимостей, следовательно, заявляемое изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 изображена функциональная схема устройства для измерения массы в невесомости;
- на фиг.2 приведена блок-схема блока управления 2.
Устройство для измерения массы в невесомости содержит платформу 1, на которой жестко закреплен статор 2, контейнер 3 для размещения измеряемой массы, блок управления 4, датчик положения 5, индикатор 6 и частотомер 7, выход которого соединен со входом индикатора 6, а вход частотомера 7 соединен с выходом статора 2, вход которого соединен с выходом блока управления 4, вход блока управления 4 соединен с выходом датчика положения 5.
Платформа 1 может быть выполнена из любого прочного материала. В нашем случае платформа 1 выполнена из алюминия Д 16.
Внутренняя поверхность статора 2 имеет сферическую форму. В качестве статора в предлагаемом устройстве использован статор электромагнитного подвеса.
Контейнер 3 выполнен в виде сферы, в экваториальной области которой выполнены углубления для предотвращения поворота контейнера относительно центра масс. Контейнер 3 выполнен из ферромагнитного материала. Измеряемая масса находится вне зоны действия магнитных полей, что позволяет взвешивать любые типы материалов, в том числе магнитные, радиоактивные и т.д.
Блок управления 4 состоит из первого и второго блоков перемножения на заданные коэффициенты 4.1 и 4.2, блока дифференцирования 4.3, блока сложения 4.4. Вход блока управления 4 соединен с первым и вторым блоками перемножения 4.1 и 4.2. Блок перемножения 4.2 соединен с блоком дифференцирования 4.3, выходы блока перемножения 4.1 и блока дифференцирования 4.3 соединены с блоком сложения 4.4, выход которого соединен с выходом блока управления 4.
Датчик положения 5 может быть реализован, например, в виде индукционного [6] оптического датчика положения. Оптические датчики состоят из источника света, фотодиодов [5]. В нашем примере используется оптический датчик перемещения.
Индикатор 6 может быть выполнен в виде матрицы на жидких кристаллах или в виде электронно-лучевой трубки.
Частотомер 7 выполнен в виде стандартного блока [1, 4].
Устройство для измерения массы в невесомости работает следующим образом.
В контейнер 3 помещают измеряемую массу mi. Контейнер 3, взаимодействуя с магнитным полем, создаваемым статором 2, образует электромагнитный подвес, который обеспечивает левитацию контейнера 3, создание бесконтактного силового воздействия на контейнер 3 и ориентацию его в пространстве.
Под действием возникающих в момент включения сил и в зависимости от своего начального положения контейнер отклоняется от своего равновесного положения, соответствующего геометрическому центру статора. Одновременно начинает работать датчик положения 5, включается источник света, который освещает контейнер 3 и создает светотеневую картину на фотодиодах. Сигнал, снимаемый с датчика положения 5, пропорционален линейному перемещению контейнера 3.
Сигналы, поступившие с датчика положения 3 на вход блока управления 4, поступают на входы первого 4.1 и второго 4.2 блоков перемножения. С выхода второго блока перемножения 4.2 сигнал поступает на блок дифференцирования 4.3. Сигналы с выхода блока перемножения 4.2 и блока дифференцирования 4.3 поступают на блок сложения 4.4, где суммируются и с выхода блока управления 4 поступают на статор электромагнитного подвеса 2.
Ток, возникающий в статоре 2, бесконтактно передает заданное усилие на контейнер 3. Таким образом контейнеру 3 сообщается тестовое усилие. Масса нетто контейнера 3 в этом случае равна mn, а масса брутто – сумме масс mn и mi.
Датчик положения 5 фиксирует перемещение контейнера 3, который сместился под действием приложенной бесконтактно со стороны статора 2 силы. Сигнал с датчика положения 5 поступает на блок управления 4.
Блок управления 4 за счет задания коэффициентов первого 4.1 и второго 4.2 блоков перемножения обеспечивает заданные динамические свойства устройства в автоколебательном режиме.
Одновременно ток, протекающий в статоре 2, подается на частотомер 7, который измеряет частоту колебаний тока. Тогда измеряемая масса mi пропорциональна изменению частоты колебаний тока [4, 5]. Сигнал с выхода частотомера 7 поступает на блок индикатора 6 для отображения.
Как следует из вышеизложенного, достижение повышения точности измерения масс в невесомости обеспечивается применением электромагнитного подвеса, образованного статором и контейнером, для исключения влияния сил трения и использования инерционных свойств тела, включенного в колебательный процесс. При этом обеспечивается бесконтактность гармонических колебаний и их неизменность во времени. Сопоставление параметров, характеризующих заявленное изобретение и прототип, позволяет сделать вывод, что в заявленном изобретении достигается более высокая точность измерения масс.
В лаборатории кафедры “Аэрокосмических систем ориентации, навигации и стабилизации” Санкт-Петербургского университета аэрокосмического приборостроения были проведены испытания различных измерителей масс по точности. Испытания проводились для эталонной массы 10 г (см. табл.).
Кроме получения указанного технического результата, повышается также надежность заявляемого устройства за счет отсутствия механических контактов частей устройства между собой и появляется возможность измерения масс деформируемых объектов.
Таким образом, приведенные сведения доказывают, что при осуществлении, заявленного изобретения выполняются следующие условия:
- средство, воплощающее устройство-изобретение при его осуществлении предназначено для использования в измерительной технике, а именно при проведении химических и биологических опытов на космических станциях;
- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных или других известных до даты подачи заявки средств;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить получение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию патентоспособности "промышленная применимость".
Источники информации
1. Ладик А.И., Сташкевич А.И. Изделия электронной техники. Пьезоэлектрические и электромеханические приборы. - М.: Радио и связь, 1993, 150 с.
2. Авторское свидетельство СССР №550918, МПК G 01 G 9/00, 1975.
3. Патент РФ RU 2148799 C1, МПК G 01 G 9/00, 2000.
4. Красовский А.А. Справочник по теории автоматического управления. - М.: Машиностроение, 1987. 711 с.
5. Богословский С.В. Теория и практика аэромагнитного моделирования. СПб.: ГУАП, 1998. 140 с.
6. Котенко Г.И. Гальваномагнитные преобразователи. - Л.: Энергия, 1982. 104 с.
Формула изобретения
1. Устройство для взвешивания массы в невесомости, содержащее платформу, контейнер с размещенной в нем массой, блок управления, датчик положения и индикатор, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены статор, жестко закрепленный на платформе, и частотомер, выход которого соединен с входом индикатора, вход частотомера соединен с выходом статора, вход которого соединен с выходом блока управления, вход которого соединен с выходом датчика положения, причем контейнер выполнен в виде сферы с углублениями в экваториальной области, а внутренняя поверхность статора имеет сферическую форму.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что контейнер выполнен из ферромагнитного материала.
РИСУНКИ
