Силоизмерительный преобразователь с частотным выходом
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ и ц 6599!7
Союз Советских
Социалистических
Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 03.01.77 (21) 2436731/18-10 (51) М. Кл. G 011 1/10 с присоединением заявки ¹
Государственный комитет (23) Приоритет (43) Опубликовано 30.04.79. Б1оллетень № 16 (45) Дата опубликования описания 30.04.79 (53) УДК 531.781 (088,8) по делам изобретений открытий (72) Автор изобретения В. Я. Яновский (71) Заявитель Научно-исследовательский и конструкторский институт испытательных машин, приборов и средств измерения масс (54) СИЛОИЗМЕРИТЕЛЬНЫИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
С ЧАСТОТНЪ|М ВЫХОДОМ
Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для преобразования силы в частотномодулированный информационный сигнал. Кроме того, изобретение может быть использовано для преобразования других физических величин, которые приводятся к силе.
Известны измерительные преобразователи с частотным выходом, в которых имеются резонаторы в виде струн, мембран цилиндров и других форм, применяемые при измерениях различных электрических и неэлектрических величин (1).
Наиболее близким по технической сущности к данному преобразованию является силоизмерительный преобразователь с частотным выходом, содержащий упругий элемент, изготовленный за одно целое с ним резонатор, систему для возбуждения и измерения частоты поперечных колебаний (2).
B указанных измерительных преобразователях с частотным выходом повышение начальной (несущей) частоты обеспечивается за счет уменьшения отношения длины 25 стержня к его толщине при сохранении формы поперечного сечения. При этом уменьшается относительная чувствительность преобразователя, снижается стабильность работы автогенератора и увеличива- 30 ется температурная погрешность.
Кроме этого, для раскачки высокочастотного резонатора в виде сплошного стержня требуется применять возбуждающую систему большей мощности.
Целью изобретения является повышение точности и уменьшение нелинейности выходной характеристики преобразователя.
Для этого в силоизмерительном преобразователе с частотным выходом, содержащем упругий элемент, изготовленный за одно целое с ним резонатор, систему возбуждения и измерения частоты поперечных колебаний, резонатор выполнен в виде по меньшей мере двух расположенных в плоскости колебаний симметрично относительно общей продольной оси резонатора чувствительных виброперемычек, которые соединены между собой одной или несколькими поперечными перемычками, расположенными на одинаковых расстояниях от концов вибро перемычек перпендикулярно общей продольной оси резонатора.
Вариантом преобразователя с более линейной характеристикой является конструкция, в которой поперечная перемычка выполнена в виде пружины, соединяющей между собой середины виброперемычек, выполненных в виде стержней, при этом части каждого стержня с двух сторон от пружины расположены под острым углом к продольной оси резонатора, образуя ромб, 659917
Кромс того, впбропсрсмынчкп резонатора соединены с упругим элементом и поперечными перемычками посредством упругих шарниров.
На фиг. 1 приведена схема конструкции преобразователя с резонатором, работающим, например, на второй гармонике колебаний; на фиг. 2 — конструкция измерительного преобразователя с частотным выходом в случае работы его резонатора на первой гармонике колебаний с отличнямп. обеспечивающими оолее линейную выходную характеристику; там же показано соединение стержней резонатора с остальными частями конструкцшт через упругие шарниры.
Измерительный частотный преобразователь содержит упругий элемент 1, изготовленный с нпм за одно целое резонатор 2 и систему возбуждения 3.
Конкретная форма упругого элемента непосредственно не касается существа изобретения и обобщенно представлена в виде кольца.
Резонатор 2 содержит виброперемычки 4, выполненные, например, в виде стержней, имеющих прямоугольное поперечпос сечение или cc÷åíèå в форме треугольника.
Впброперсмычки 4 расположены в плоскости колебаний резонатора 2, совпадающей с плоскостью чертежа симметрично относительно общей продольной оси резонатора х — х и соединены между собой поперечными перемычками 5, расположенным:т на одинаковых расстояниях от концов вибропсрсмычск перпендикулярно общей продольной оси резонатора 2.
Расстояние от концов виброперемычек 4 до геометрических осей поперечных перемычек 5, перпендикулярных общей продольной осп резонатора 2, дол>кны быть вттбрятльт таким образом, чтобы точки 6 пересечснпя геометрических осей с продольной осью рсзонатора 2 совпадали с пучностями форм колебаний резонатора 2.
Система возбу>кдсния 3 является частью элсктромеханичсского генератора с резонатором 2. Здесь эта система показана состоящей, в частности, из приемника 7 колебаний, возоудителя 8 колебаний, ргсполо>кенных с зазором относительно резонатора
2 и связанных с входом и выходом усилителя 9.
В конструкции на фиг. 2 части 10 виброперемычек 4, выполненных в виде стержней, по обе стороны поперечной перемычки
5 расположены под острым углом по отноirteI- ию к продольной осп х — х резонатора 2 и образуют ромб.
Поперечная перемычка 5, соединяющая виброперсмычкп 4, выполнена в виде пружины. Расстояние между виброперемычками 4 должно быть выбрано из условия получения необходимого момента инерции сечения резонатора 2, который при заданной
65 длппс резонатора обеспечивает требуемос значенпс начальной частоты его колебаний.
При значениях «тсритичсстсой силы» виброперемычск резонатора 2, близких к нулю, жесткость упругого элемента 1 должна быть достаточной, чтобы создать в вибро:терсмычках 4 резонатора 2 предварптельныс натяжсIIHH, обеспечивающие устойчивые ттопсречныс колсбания резонатора 2.
Резонатор с вибрстпсремычками, имеющимп запас по продольной устойчивости, можст работ В последнем случае целесообразно соединять концы частей 10 вибропсремычек 4 с уттругим элементом rr поперечными пе >смычками через упр сгие шарниры 11. Преобразователь работает следующим образом. Сила Р или другая измеряемая величина, преобразованная в силу, воздействует на упругий элемент 1, который по отношению к силе является первым звеном цепи преобразования, обеспечивающим кинематичсские it (илтл) силовые преобразования для передач пк концам резонатора 2 расчетных усилий Т в требуемом направлении. Начальная частота резонатора 2 при Р==0 и заданной длтше резонатора определяется его поперечной жссткосттп, включая дополнительную жесткость, внесенную в случае предварительного натяга виброперемычск резонатора. Лвтоколебания резонатора 2 обеспечиваются системой возбуждения 3. При воздействии силы Р, продольные силы Л изменятот поперечную жесткость резонатора 2 и связяннуто с нсй частоту колсбаний. В этой части работа предлагаемого измерительного преобразователя с частоптым выходом прптщппиально не отличается от работы известных янялогичн ix устройств. Особенности работы конструкции согл цно фиг. 2 состоят в том, что пзмснснпс (ястоты резонатора происходит нс только за счс.с изменения его поперечной жесткос-. и, гызвапной силами V, но и за счет изменения момента инерции се тсния, изменяющегося под действием этой >ке силы. При действии растягивающей силы N части 10 виброперемычек 4 поворачиваются таким образом, что угол между ними увели швается. Прп значении Лт, соответствующей 0,7 — 0,8 Р,,„,, угол rx приближается к 180, нелинейно уменьшая при этом момент инерции и соответственно частоту резонаroра. Это выравнивает начальный участок его характеристика и она в целом становится более линейной. Если сила IV сжимает резонатор, то момент инерции возрастает, дополнительно повышая частоту, что выравнивает характеристику ближе к ее конечному участку. Повышение стабильности работы автоге65991? нератора вызывается более высокой добротностью резонатора, обусловленной тем, что уменьшается потеря энергии через его связи с упругим элементом, так как суммарный изгибающий момент в виброперемы ках рассматриваемого резонатора, меньше соответствующего момента сплошного резонатора. Уменьшение мощности, необходимой для раскачки резонатора, вызвано тем, что уменьшена общая масса резонатора, между частицами которой имеется внутреннее трение. Температурная погрешность сплошных резонаторов в основном определяется изменением их поперечной жесткости за счет изменения температурного коэффициента модуля упругости. В связи с тем, что момент Рнерции виброперемычек рассматриваемого резонатора существенно меньше общего момента инерции резонатора, изменение их жесткости под влиянием температуры стносительно мало влияет на общую жесткость, а следовательно, и на температурную погрешность. В ыполнение резонатора измерительного r.ðåoáðà3oâàòåëÿ с частотным выходом в виде по меньшей мере двух расположенных ь плоскости колебаний виброперемычек, соединенных между собой поперечными пе- 30 ремычками, позволяет существенно улучшить метрологические качества высокочастотного резонатора. Формула изобретения 1. (илоизмерительный преобразователь с частотным выходом, содержащий упругий элемент, изготовленный за одно целое с ним резонатор, систему возбуждения и измерения частоты поперечных колебаний, отл и ч а ю щи и с я тем, что, с целью повышения точности, резонатор выполнен в виде по меньшей мере двух расположенных в плоскости колебаний симметрично относительно общей продольной оси резонатора чувствительных виброперемычек, которые соединены между собой одной или несколькими поперечными перемычками, расположенными на одинаковых расстояниях от концов виброперемычек перпендикулярно общей продольной оси резонатора. 2. Преобразователь по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью уменьшения нелинейности выходной характеристики преобразователя, поперечная перемычка выполнена в виде пружины, соединяющей между собой середины виброперемычек, выполненных в виде стержней, например, прямоугольного сечения, причем части каждого стержня с двух сторон от пружины расположены под острым углом к продольной оси резонатора, образуя ромб. 3. Преобразователь по пп. 1 и 2, отл ич а ю шийся тем, что виброперемычки резонатора соединены с упругим элементом и поперечными перемычками посредством упругих шарниров. Источники информации, принятые во ванимание при экспертизе 1. Новицкий В. П. и др. Цифровые приборы с частотными датчиками, Л., «Энергия», 1970. 2. Авторское свидетельство СССР Л% 142462, кл. G 011 1/10, 1960. 11 Составитель Г. Максягин Редактор А. Зиньковский Корректор Л. Орлова Заказ 554/3 Изд. № 269 Тираж 1089 Подписное НПО Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раугпская наб,, д. 415 Типография, пр. Сапунова, 2
