Устройство для измерения усилий

 

Союз Советскнк

Соцналнстнческнк

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН Ия

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (iii 69()335 (61) Дополнительное к авт. свнд-ву— (22) Заявлено 14.09.77 (21) 2528092/18-10 с присоединением заявки РЙ— (23) Приоритет—

Опубликовано 05.10.79. Бюллетень ¹ 37 (51)М. Кл

G 01 L 1/12

Гесударстеенны9 комктет ссср оо делам нэобратоннй н открытой (53) УДУ 5З ,781 (088.8) Дата опубликования описания 15.10.79 т

I (72) Авторы изобретения

А. А. Штин и Г. В. Ломаев (71) Заявитель

Ижевский механический институт (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УСИЛИЙ

Изобретение касается измерения неэлектрических величин и может быть использовано для построения преобразс . вателей усилия в электрический сигнал.

Известны магнитоупругие преобразователи, основанные на изменении магнит5 ной проницаемости ферромагнитных тел в зависимости от возникающих в них механических напряжений, обусловленных воздействием на ферромагнитные тела

t0 измеряемых усилий (1)

Для достижения удовлетворительной точности измерения в таких преобразователях необходимы сердечники сложной формы, а также ферромагнитные материалы с ярко выраженной анизотропией магнитных свойств. Кроме того, выходной сигнал в таких преобразователях может быть только аналоговым (ток или напряжение), что значительно сужает область их применения. . Известны преобразователи усилия на аффекте Баркгаузена, в основе которых лежит зависимость параметров скачков

Баркгаузена, возникающих при перемагничивании ферромагнетика от механических напряжений. Преобразователь на эффекте Баркгаузена содержит ферромат нитный сердечник в виде струны с равномерной измерительной обмоткой, источник равномерного перемагничивающего поля и устройство регистрации. Перемагничивающее поле, в простейшем случае изменяющееся во времени по синусоидальному закону, вызывает в измерительной об» мотке случайные импульсы электродвижущей силы (ЭДС соответствующие скачкам намагниченности. Устройство регистрации осуществляет функции усиления и выделения информативного параметра (среднее число выбросов, средняя мошнасть и т.п.) (21 .

К недостаткам таких преобрааователей следует отнести ярко выраженную периодическую нестационар ность выходного сигна1 ла измерительной обмотки, что усложняет устройство регистрации, а также неудовлетворительную дннамическую точность, .

З0

3 69 обусловленную низкой частотой перемат ничивающего поля. Последнее обстоятельство не позволяет измерять быстропротекающие процессы, например вибрации.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство, предназначенное для измерения скоростей, в котором феррома|нетик перемагничивается градиентными зонами бегущего поля. Устройство содержит 1 1-фазный линейный статор, ферромагнитный сердечник, снабженный равномерной измерительной обмоткой, и блок регистрации, подключенный к ней.

Статор создает бегущее магнитное поле, которое перемагничивает сердечник, вследствие чего в измерительной обмотке возникает ЭДС. Эта ЭДС содержит периодическую составляющую с частотой скольжения поля относительно сердечника и сх чайную составляющую (скачки Баркгаузепа). Информацию о внутренних напряжениях. в ферромагнетике в основном несет случайная составляюmao з).

Недостатком этого устройства является наличие в выходном сигнале периодической составляющей. Для максимального подавления периодической помехи необходимо, чтобы на длине измерительной катушки укладывалось целое число полюсных делений статора.

Несмотря на то, что можно изготовить статор и измерительную катушку весьма точно, при изменении температуры и воздействии различных неблагоприятных факторов величина помехи возрастает, .то снижает точность измерения при любом информативном параметре. Так при час тотном выходе среднее число выбросов за уровень селекции) аддитивная составляющая помехи нарушает нормальную работу порогового устройства, что приводит к искажению статистических характеристик преобразователи. Мульти:» пликативная составляющая увеличивает дисперсию показаний счетчика выбросов и, как следствие, время счета> что ухудшает динамическую точность.

Цель изобретения — повышение точности измерения.

Это достигается тем, что в устройство, содержащее л1-фазный линейный статор, равномерную измерительную обмотку, ферромагнитный сердечник, воопринимаюший измеряемое усилие, и блок регистрации, введены включенные послеозз 4 довательно фильтр„фазовый детектор, источник управляемого тока и две подмагничивающие обмотки, соединенные по дифференциальной схеме и расположенные с возможностью взаимной ориентации относительно статора, причем, вход фильтра подключен к измерительной обмотке.

На фиг. 1 изображена функциональная схема предложенного устройства для измерения усилия; на фиг. 2 — распределение напряженности поля по длине сердечника для случая, когда расстояние между дополнительными обмотками равно полюсному делению статора.

Устройство содержит линейный статор

l, в котором коаксиально установлен силовоспринимающий ферромагнитный сердечник 2 с равномерной измерительной обмоткой 3, подключенной к блоку регистрации 4. Соосно сердечнику 2, на расстоянии одна от другой расположены дополнительные обмотки 5 и 6, включенные между собой встречно. Обмотки 5 и 6 соединены в последовательную цепь с источником ре!улируемого тока 7, фазовым детектором 8 и фильтром нижних частот 9, вход которого подключен к измерительной обмотке 3.

Устройство работает следующим о разом.

Линейный статор 1 создает магнич» ное поле вдоль сердечника 2, распределенное по синусоидальному закону.

Поле движется относительно сердечника с некоторой постоянной скоростью. Вследствие перемагничивания сердечника в измерительной обмотке индуцируется случайный поток импульсов ЭДС, обусловленный скачками намагниченности. Параметры случайного потока, например, среднее число выбросов за уровень селекции, однозначно зависят от величины усилия, приложенного к ферромагнитному сердечнику. Блок регистрации 4 включает усилитель, амплитудный селектор и счетчик.

Таким образом, измеряемое усилие преобразуется в код. Помимо случайного импульсного потока с измерительной обмотки снимается также периодическая

ЭДС с частотой тока питания статора (обычно 50 гц). Величина этой ЭДС определяется тем, насколько выполняеч»ся условие равенства длины измерительной обмотки целому числу полюсных делений статора. Фильтр нижних частот 9 выделяет периодический сигнал, поступающий далее на фазовый детектор 8.

5 690

На опорный вход фазового детектора 8 поступает опорное напряжение П, от источника (не показан) питания линейного статора.

Постоянное напряжение на выходе фааового детектора пропорционально входному напряжению, а знак его определяется фазовым сдвигом входного напряжения относительно опорного. Выходное напряжение с фазового детектора поступает на вход источника управляемого тока. При входном напряжении, равном нулю, источник создает в обмотках 5 и 6 постоянный ток определенной величины (это значение тока может плавно регу- 13 лироваться при юстировке устройства).

При положительной полярности входного

Ьигнала выходной ток увеличивается, при отрицательной — уменьшается. Таким образом, величина тока в обмотках 5 и 6 20 зависит от величины периодической ЭДС на входе фазового детектора и фааового сдвига этой ЭДС. Действие устройства основано на том, что для уменьшения величины паразитной периодической помехи автоматически изменяется не попюсное деление статора и не длина измерительной обмотки, а длина зоны перемагничивания сердечника 2. Если определенный участок сердечника намагнитить до насьпцения, то потокосцепление витков измерительной катушки с полем статора на этом участке будет очень малым по сравнению с остальными витками. Отсюда следует, что изменение длины перемагничиваемой зоны сердечника эквивалентно изменению длииы измерительной обмотки. Для реализации указанного алгоритма измерительная обмотка выпопнена так, что ее длина несколько превышает длину полюсного деления статора 1. Ток, протекающий по обмоткам 5 и 6, создает постоянное магнитное поле, которое насыщает учасе

45 ки сердечника, расположенные под этими обмотками. Ненасыщенная часть сердечйика равна полюсному делению статора

1, так что периодическая ЭДС на выходе . измерительной обмотки блиака к нулю..

При увеличении ЭДС возрастает сигнал на выходе, фильтра 9 и изменяется напряжение на выходе фазового детектора 8, что приводит к иаменению тока в обмотках 5 и 6.. Изменение тока выаывает уменьшение или увеличение длины насыщенных участков сердечника. Иследст вие непрямоугольности петли гистере- аиса материала ферромагнитного сердеч335 ника между насыщен«ьпл н перемагннчиваемым участками сердечника су- ществует всегда эона, где сердеч«еек перемагничивается по част«ьем цен<лам. Ширина этой зоны зависит от величины тока в обмотках 5 и 6 иа-за переменной крутизны распределения их ноля вдоль оси. Б случае согласного включения обмоток 5 и 6 паразнтная периодическая помеха не устра«яется, так как переходные зоны имеют значительную прс.тяженность и одинаковое направление постоянного поля. Дифференциальное включе«ие обмоток 5 и 6 позволяет практически устранить влияние переход«ых аон на работу устро«ства. Упрощен«ая картина распредепе«ия «апряженности поля ф вдоль осн сердечника показа«а «а фиг. 2, где обоз«ачены Н, — напряженность поля дополнительных обмоток 5 и 6, Н коэрцитив«ая сила материала сердечника, Х вЂ” попюсное депе«ие статора. На участке Х сердечник перемаг«ичивается, так как амплитуда нанряже«ности поля Fgrry больше Н, а знак напряжен«ости периодически изменяется. За пределами учас е ка Х сердечник не перемагничивается вв«ду того, что знак «апряженности поля не меняется, а минимальное эначе«ие м; —..;упее «а«ряжен«ости поля остается больше коэрцитнвной сипы. Расстояние между крайнег.е«витками дотеопнительных обмоток 5 и 6 должно равняться полюс«ому делению статора Х, так как у края обмотки крут«э«а зависимости напряжен«ости поля от координаты Х максималь«а. что поедопределяет ми«имапь«ую ширину переходных эон и позволяет уме«ьшить общий коэффициент усиления в цепи обратной свяэее (фильтр, фаэовь1й де-еКТор ис Го«пик тока). При проееэвошзном расположе«ни обмоток 5 и 6, помеха «е компе«сируется, т.е. попоыетепьный эффект:e дес пегается. Необходимость введе«пя фазового детектора обус повпена те:., что дпя компенсации ломexn нужна информация об изменении дпи«ы полюсного деления статора, чтобы соответственно наменять ток в обмот,ках 5 и 6, а, следовательно, и длину перемагничнваемого участка сердечника

2.

Предложенное устройство обладает повышенной точностью измерения по сравнению с рpаa!нrеeе e«эвестнымн аналогичными устройствами, так как ЭДС помехи автоматически поддерживается

6903

gyp

-нс на минимальном уровне. Экономический эффект в случае внедрения предложенного устройства выразится как в расширении температурного диапазона измерительных систем, так и повышении информационной надежности,. Необходимо также указать на возможность использования предложенного устройства в качестве генератора случайных электрических сигналов с заданной нестационарностью.

Формула изобретения

Устройство для измерения усилий, содержащее 1и-разный линейный статор, равномерную измерительную обмотку, ферромагнитный сердечник, всспринимающий измеряемое усилие, и блок регистрации, о т л и ч а ю ш ее с я тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены

35 8 включенные последовательно фильтр, фазовый детектор, источник управляемого тока и две подмагничиваюшие обмотки, соединенные по дифференциальной схеме и расположенные с возможностью взаимной ориентации относительно статора, причем вход фильтра подключен к измерительной обмотке.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Литвинов Н. H., Электрические измерения механических величин. М., Энергия, 1970, с. 37„р. 20.

2, Штин A. А„Барсуков Б. К. О возможностях построения измерительных преобразователей усилия на основе эффекта Боркгаузена. Тезисы доклада конференции Физические основы построения первичных измерительных преобразователей", ч. 2, Киев, 1977, с. 77.

3. Авторское свидетельство СССР

¹ 213431, кл. G 01 P 3/54, 1966 (прототип).

ЦНИИПИ Заказ 5952/38

Тираж 1090 Подписное

Филиал ППП "Патент", г.Ужгород,ул. Проектная, 4