Устройство для измерения усилий

 

(72) Автор изобретения

В. +. Могильчак (71) Заявитель (54) YCTPOACTBO g JIH II3MEPEHMH YCMJ114A

Йзобретение о носится к силоиэмери,тельной технике и может быть использовано для измерения усилий между о дельными частями механизмов.

Известное устройство для измерения усилий, содержащее магнитоупругий преобразователь, источник питания преобразователя и измерительную схему, обладает малой точностью измерения, что

ЛО обусловлено зависимостью чувствитель ности магнитоупругого преобразователя и измерительной схемы от изменения температура окружающей среды и от величины приложенной к датчику силы $13, 15

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для измерения усилий, содержащее магнитоупругий преобразователь с подключенной к его выходу измерительной схемой, масштабное звено, подключенное своим входом к выходу измерительной схемы, и блок питания магнитоупругого преобразователя 2 ) .

К недостаткам известного устройства относится чизкая точность измерения усилий.

Бель изобретения заключается в повышении точности измерения.

Это достигается за счет того, что в предлагаемое устройство введены компенсационный магнитоупругий преобразователь, соединенный с блоком питания, н дополнительная измерительная схема, подключенная своим входом к выходу компенсационного преобразователя, а масштабное звено и дополнительная измерительная схема соединены с блоком, питания, На чертеже представлена схема описываемого устройства, содержащего маг ннтоупругий преобразователь 1, измерительную схему 2, масштабное звено

3, блок питания 4 магнитоупругого преобразователя, компенсационный магнитоупругий преобразователь 5 и дополнительную измерительную, схему 6, 690333

Ьлок питания 4 состоит из последoBQ» тельно включенных усилителя рассогласования 7 и инвертора 8, предназначенного для преобразования постоянного Bhr» ходного напряжения усилителя 7 в пере;, менное напряжение питания магнитоупругих преобразователей 1 и 5.

Измерительные схемы 2 и 6 предназначены для преобразования выходного переменного напряжения магнитоупругих преобразователей 1 и5в постоянное напряжение, подаваемое в канал параметрической обратной связи. В состав измерительной схемы 2 входит устройство отсчета измеряемой силы, например стрело :ный показывающий прибор 9.

Масштабное звено 3 выполнено в виде ризистивного делителя с регулируемым коэффициентом передачи, величина которого устанавливается из условия обеспечения минимальной погрешности нелинейности выходного сигнала устройства„

К магнитоупругому преобразователю

1 приложена измеряемая сила Ц, к компенсационному магнитоупругому преобразователю 5 — постоянная сила Д например вес гири. На входе усилителя .рассогласования 7 действует сигнал рассогласования Ц между алгебраической суммой опорного напряжения Uo c выходным напряжением масштабного звена 3 Од и выходным напряжением ь дополнительной измерительной схемы 6, Подключенной к выходу компенсационного преобразователя 5.

Из функциональной схемы следует: о л К () 20

Зо

Усилитель рассогласования 7 усиливает величину О„Кo))g раз, где

К вЂ” коэффициент усиления усилителя 7, и через инвертор 8 управляет напряжением питания обоих магнитоупругих пре45 образователей 1 и 5. Это приводит к изменению выходного напряжения изме. рительных схем 2 и 6. Знак коэффициента усиления усилителя 7 выбран таким, чтобы величина рассогласования

QU на его входе стремилась к нулю.

Тогда алгебраическая сумма выходных напряжений масштабного звена 3 и дополнительн,ой измерительной схемы 6 0» стабилизируется, r,e. поддерживается на постоянном уровне U,,что следует из уравнения (1), в котором 5 0 - . О, т.е.

3 ав ис им ость выходного и ап ряжени я измерительной схемы 2, подаваемого на показываюший прибор 9, можно найти из выражения (1) и следуюших соотношений: (3) (q) (5) (6) н о н

Uk= 58 К6 0 м 1 а а а д

-выходные напряжения соответ где "и "л "8 ственно инвертора 8, измерительной схемы 6, масштабного звена 3, измерительной схемы 2; — коэффициенты передачи соответственно усилителя

7, инвертора 8, масштабного,звена 3, измерительной схемы 2; — чувствительности магнитоупругих преобразователей

5 и 1 соответстК oo11KH ilk h4 11

55 81 венно;

- усилия, приложенные к магнит оупругим преобразователям

1 и 5 соответст венно.

Чувствительность магнитоупругor î преобразователя зависит от величины питающего его напряжения, приложенной к нему силы (что определяет нелинейность его статистической характеристики преобразования) и температуры окружающей среды. Эта зависимость может быть аппроксимирована следуюшей дробно-рациональной функцией силы Q приложенной к преобразователю н га= (7) где а (T) -,коэффициент, характеризуюший начальную чувствителен ность преобразователя, зависит от его конструкции и температуры окружакиней среды;

Ь вЂ” коэффициент, характеризуюптий нелинейность статической характеристики магнито5 690333 6 упругого преобразователя, носительно Ll, учитывая при этом, определяется его к .го конструк- что при одинаковом конструктивном вы-П(Ъ 0 тическ я цией. полнении измерительных схем 6 и 1

При = 0 статическ я

0 тическвя харктеристика их коэффициенты передачи К > и Кв равт магнитоупругого п еоб азов ру р разователя линей- ны, получим следуюшее выражение arts> на. При Ъ О вЂ” вып ла вве х п р — ук а вверх, приЪ(0 выходного напряжения устройства Ов

-выпукла вниз.

В силу идентичности используемых U

8>) магнитоупругих преобразователей в кав д+(gé- г о о и ( нале компенсации и измерения можно 1о считать, что О (Т) и Ь у обоих маг нитоупругих преобразователей 1 и 5 рав ны.

Тогда для компенсационного магнитоупругого преобразователя чувствительность равна:

C= 3+ l3&o

Из последнего выражения видно, что если коэффициент передачи масштабного звена К м выбрать из условия

К вЂ”, (16)

ЪЦ то выражение в скобках уравнения (15) станет равным нулю, а зависимость выходного напряжения Цв от измеряемой сил ы Q при мет вид

У С (g 7) в Go

Из уравнения (17) видно, что пока"-ания прибора 9 измерительной схемы

2 не зависят от конструкции магнитоупругих преобразователей 1 и 5, температуры оуружаюшей среды1 и линейно связаны с величиной измеряемой силы Д,, при ложен ной к ма гнитоупругому преобразователю 1. Стабильность псказаний очределяется стабильностью опорного напряжения U в блока питания

4, которую легко обеспечить с заданной точностью, и силы Q приложенной к колпенсационному преобразователю 5, постоянство которой технически легко обеспечивается путем нагружения ком40 пенсационного магнитоупругого преобразователя, например, весом гири.

Нестабильность коэффициента С =f+Q < зависит от нестабильности коэ фициента о, определяюшего нелинейность

45 статической характеристики магнитоупругого преобразователя. При погрешности нелинейности, не превышаюшеГ несколь ких процентов, что характерно для магнитоупругих преобразователей, величииа 0о(1 и влияние ее изменения от температуры, если оно сушествует, на коэффициент С мало, т.е. можно считать что 1+ЪО,, = Col1st.

В процессе нагружения магнитоупру55 гого преобразователя 1 измеряемой силой возрастает напряжение на выходе измерительной схемы 2. В силу нелинейности статической характеристики а 1)0 bq. для магнитоупругого преобразователя 1 о<т> и (g)

3 ЬД и, соответственно, напряжения будут иметь следуюший вид: (10) Цк 1+ gg

*(1 5

1 1а

Решая совместно уравнения (1), (3), (5), (10) относительно выходного напряжения инвертора 8, получим к К„(и +к„Ц,) К „ 5(т)К Ц /1+ЪО

При достаточно большом коэффициен.те усиления К, усилителя 7 и при усилии Q приложенном к компенсационному преобразователю 5, не равном нулю, величина: к к„а(т1К 9

1 (13)

О и, следовательно, напряжение питания магнитоупругих преобразователей 1 и 5

PBBHO: (Uo+ KMU,1 + úÎ 1

U„- .,„1-) g (14) Подставив полученное значение Цн

Ь выражение (11) для выходного напря щения устройства Цв и решив его от т цу1 Фд мягнитоупругого преобразователя 1,, с ростом приложенной к нему сильi, -:у ствительность его возрастает (илц умепьШаЕтСя), ЧтО ПрИВОдИт К ГтОИВЛЕ IBIG ПС:грешности нелинейности измерения. Сд.= нако часть выходного напряжения изм =: рительной схемы, снимается с выхода масштабнОго звена 3, B виде НЯ11ряже=. ния линеаризации Ол подается в блок

ПитЯния 4, где вычитается (или складь1- 10 вается) с опорным напряжением U>

B результате с увеличением измеряемой силы на входе усилителя 7 появпчется сигнал рассогласования. Этот сигнал усиливается и подается на инвертор B.

Напряжение питания компенсационного преобразователя 5 и, соответственно, магнитоупругого преобразователя 1 умень шатотся (или увеличиваются) до тех

lIOP, ПОКЯ РЯССОГЛЯСОВЯНИО НЕ УМЕНЬШИТ-ся до ElpG>IGIGI 0 зця -1ения с точностью до

МЯЛой Ошнбхц ОцрЕдЕЛяэ т1тО11 ВЕЛт1ЧИ11Отт

КОЭфф11тцтИЕ111 я уСИЛСцця уст1Л11тот1я 7, Уменьшетие (увеличение) напряжения пиТания преобразователя " приводит к

; 5

У МЕНЬШ GEIII 10 f УВЕтп1 ЧЕНЦТО ) ЕГО т1ттВ -. TB B тецьности и. Ооответствстпхо линейри:-"

Затцпн C TEE TB-IGGI

С ТВЯ.

ЗО

Ф; . СЛИ В ПРОЦЕССЕ ИЗМЕРЕ1тИЯ ЙЗМЕНЯ-ется темце окружя1оц1ей среди и чувствительность магц11тоупругого преОбря зов а телтя, на гтр имер, увеличив яе .: = ся„то одновременно увеличивается и чувствительность компенсационного мягнитоуцру гого поеоора зователя 5. Напряжение

На ВЫХОДЕ тт ОПО1-11 ИтЕЛЬНОй И ЕМЕРИтЕЛЬНОй схемы 8 при этом возрастает, что приводит

3" 8

К ПОЯВЛЕт1ИЮ СИ Гнттца ттасСОГЛЯСОЬЯИИЯ Ца входе усилителя 7; усиленный сигнал ряссот-ласования начнет умень1цать 11пряжение питания компенсационного магцитоупругого преобразователя 5 до тех пор, пока не восстановится p=;;:--.:Нство напряжении на входах усилителя 7, 11ри этом одновременно уменьшается напря:iGïBG магнитоупругого преобразователя

ЧТО ПриВОДИТ К КОМПЕНСЯЦИИ IIOFPGIIJ цости, обусловленной увеличением его чувствительности, вызванным изменет1ИЕ М ТЕ МПЕ РЯТУРЬ1 ОКВУ1КЯ1О1ЦЕй СРЕДЫ, Формула изобретения

Устр Ойство для измерения усилийу содержац1ее ма 1читоупругий преобразователь с подклтаченной к его выходу из иерительной схемой, масштабное звено, ПОДКтПОЧЕ ÍG" СВОИМ ВХОДОМ К ВЫХОДУ изм Gр т т е„.т ьно и .хе мы. и б11отт 1тит я1тия т 1яг1титоупр угого пре образовятеля, о тЛ И тт Д Кт Щ Е О Г Ч Т=,т Что т- т1ЕЛЬКт

ПОВЫШЕНИЯ TG IEIOGTB ИЗМЕРЕ Пти В НЕГО введены компепсациоцньгй магнитоупругий преобразователь, соединенный с блоком питания, и дополнительная измерительцая схема, подктцоченца": своим входом к выходу компенсационного преобразователя а мясштябное звено и дОпОл т111ТЕЛЬНая 11З 1ЕрИТЕЛЬНЯя С=ЕМа СоэдИцены с блоком питания.

Источники информаш и, пр пн1тые Do внимание при экспертизе

1. Гинзбург В. В. Магнитоупругие датч1тки. М., "Энергия", 1970 с.13.

2, .Авторское свидетельство СССР т, 1 457961, кл. 6 О1 I Х /.12, 1973 (прототип) .

690333

Составитель А. Новиков .

Техред С. Мигай Корректор Н. Горват

Редактор Л. Бибер

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектнаи 4

Заказ 5952/38 Тираж 1090 Подписное

UHHHHH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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