Силоизмерительное устройство

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗО6РЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз- Советскик

Социапистическик

Республик

liu998877 (61) Дополнительное к авт. санд-ву(22)Заявлено 11.09.81 (21) 3342103/18-10 (51)М. Кл. с присоединением заявки МG 01 1. 1/12 ааударста{кк{ыв aeeew

СССР ав аеази язебретеккй и аткрытий (23)приоритет (53)УДК 531.

;881(088.8) Опубликовано 23..02.83. Бюллетень М 7

Дата опубликования описания 23.02.83

1

9 ть

»М»»,»» »" »»»»»»»

Киевский институт автоматики им. XXY съезда КПСС (71) Заявитель (54) .СИЛОИЗИЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в системах автоматического измерения массы, в том числе на промышленных транспортных системах (конвейеры, весоизмерительные платформы для автомобиль- 5 ного и узкоколейного рельсового -транспорта), различных дозаторах и т.п. ,Известны магнитоупругие датчики, которые позволяют обеспечить линейность выходной характеристики путем использования двух нелинейных преобразователей и суммирования их вы-, ходных сиrналов таким образом, чтобы два сигнала, квадратичные составляющие которых равны, имели противоположные знаки { 1 ).

При этом используются основной и вспомогательный преобразователи магнитоупругие дроссельного или транс- о форматорного типа, установленные друг на друга и нагружаемые одним и тем же измеряемым усилием одновременно. Преобразователи изготовлены

Ъ из различных материалов или имеют. существенно различные соотношения конструктивных размеров, благодаря чему их выходные характеристики разли. чаются чувствительностью и нелинейHocTbe. Числа витков обмоток основного и вспомогательного преобразователей выбраны таким образом, чтобы нелинейности характеристик rio абсолютным приращениям на единицу уси-. лия были равны. Затеи эти сигналы взаимно вычитаются, если знаки нелинейности характеристик одинаковы, или складываются, если они различны.

В результате достигается. существенное повышение линейности выходной характеристики силоизмерительного устройства при условии достаточно близких значений абсолютной нелинейности. Выполнение этого условия представляет тем большие сложности, чем более высокая линейность характеристики должна быть достигнута .

998877

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство, содержащее корпус и магнитоупругий преобразователь, вы- полненный в виде двух коаксиально расположенных полых цилиндров. Внеш.ний поджат торцом, ближайшим со стороны действия. усилия, к кольцевому выступу корпуса посредством упру гого элемента (кольца),расположен- 10 ного со стороны другого торца цилиндра, дальнего со стороны действия усилия, и снабжен внутренним выступом (кольцевым) у этого же торца по периметру сечения цилиндра, 1S расположенным в плоскости, перпендикулярной направлению усилия. Вйутренний цилиндр упирается в кольцевой выступ внешнего цилиндра одним торцом, а на другой свободно опирается съем- щ ная крышка корпуса, являющаяся силовоспринимающим элементом (2 j.

Магнитоупругий преобразователь снабжен сквозными отверстиями в каждом из цилиндров, в которых, расположе-2s ны обмотки, выходы которых связаны с измерительной схемой.

Известное устройство для измерения усилий не обеспечивает достаточной точности измерения вследствие того, щ что при этой конструкции невозможно обеспечить, высокую степень линеаризации выходной характеристики, а также из-за высокого уровня выходного сигнала при отсутствии измеряемого усилия, что приводит к высокому уровню аддитивной составляющей температурной погрешности (днейфу нуля).

Цель изобретения — повышение точности измерения усилий за счет уменьшения .погрешности нелинейности и аддитивной составляющей температурной погрешности.

Поставленная цель достигается тем, что в силоизмерительном устройстве на торце. цилиндра со стороны действия усилия над частью стержней выполнено четное количество выступов, контактирующих с крышкой, а на каждом втором выступе выполнена цилиндрическая проточка, образующая ступеньку, контактирующую с силовоспринимающим элементом, причем обмотки всех стержней без выступов соединены с источником питания, обмотки стержней с выступами и ступеньками соеди нены последовательно в одну группу, обмотки стержней с выстулами и без ступенек - последовательно в другую группу, а обе группы обмоток между собой включены встречно.

Выполнение преобразователя в виде полого цилиндра с равномерно расположенными по окружности стержнями и продольными окнами одинаковой ширины для обмоток позволяет соз-„ дать ряд совершенно> идентичных магнитных контуров, причем их идентичность обеспечивается не только идентичностью всех линейных размеров„ но идентичностью химического состава и термообработки, поскольку все элементы этих контуров выполнены в одной детали ° Выполнение выступов над каждым вторым стержнем на торце цилиндра, ближайшем со стороны действия усилия, позволяет при осуществлении предварительного сжатия преобразователя прилагать усилие предварительного нагружения лишь к стержням, над которыми расположены выступы. Выполнение на выступах цилиндрической проточки, соосной с преобразователем и образующей ступеньку на выступе каждого четвертого стержня, позволяе нагружать эти стержни, помимо усилия предварительного нагружения, .еще и измеряемым усилием. Для этого используется силовоспринимающий элемент, выполненный в виде диска, диаметр которого соответствует диаметру проточки, а . высота меньше высоты проточки, с центральной силовоспринимающей бобышкой..Выполнение силовоспринимающего элемента в виде диска диаметром, соответствующим диаметру проточки, обеспечивает его надежный контакт со ступеньками выступов на каждом четвертом стержне, а высота диска, меньшая высоты проточки, исключает возможность приложения к диску усилия предварительного нагружения, поскольку более высокие выступы упираются в крышку корпуса раньше, чем с ней войдет в контакт диск. Наличие центральной силовоспринимающей бобышки на диске обеспечивает возможность приложения измеряемого усилия к одной точке (бобышке) и передачи его на ступеньки, имеющиеся на выступах над каждым четвертым стержнем, с которыми контактирует диск.

Завинчивание крышки, соединенной с корпусом резьбой, обеспечивает нагружение каждого второго стержня усиЯ Ер

/ ..- .9938 лием предварительного нагружения; — поскольку выступы упираются в крышку.

Равномерное распределение усилия предварительного нагружения между стержнями с выступами обеспечивает упругий элемент, прижатый к торцу преобразователя, дальнему со стороны действия усилия, днищем корпуса.

Стержни, над которыми нет выступов-, остаются ненагруженными. На этих, стержнях расположены обмотки, сое;дийенные с источником питания и создающие намагничивающий поток. Поскольку при отсутствии измеряемого усилия соседние стержни (с выступом и ступенькой с одной стороны и с выступом без ступеньки с другой) оказйваются нагруженными равными усилиями предварительного нагружения, их магнитные сопротивления оказываются увеличенными на одну и ту we величи-. ну,.равными оказываются и ответвляющиеся в них магнитные потоки. Обмотки стержней с выступами и ступеньками соединены последовательно в одну группу, стержней с выступами и без ступенек - последовательно в другую.группу, а группы между собой включены встречно.: В результате напряжения, .наводимые в обмотках обе- зо их групп, при отсутствии измеряемого усилия оказываются равными и полностью друг друга компенсируютсигнал на выходе равен нулю.

Приложение измеряемого усилия к центральной бобышке диска силовоспринимающего элемента приводит к тому, что усилие,.сжимающее стержни

- с выступами и .ступеньками, увеличивается, а усилие сжатия стержней с 4в выступами и без ступенек уменьшает= ся на ту же величину. Пока измеряемое усилие P не превышает усилия предварительного нагружения Р„, преобразователь остается прижатым.к крышке и неподвижным. Измеряемое усилие, приложенное к стержням со .ступеньками, как бы стремится отор:вать преобразователь от крышки, разгружая от усилия предваритель-.: ного нагружения каждый из стержней с выступами и без ступенек. При этом соответствующая часть усилия добавляется к нагрузке стержней .с выступами и ступеньками, так как -об

SS щее усилие предварительного нагружения Р остается.неизменным - упругий элемент неподвижен, его деформация не изменяется.

7? . 4

Под воздействием измеряемого усилия магнитное сопротивление нагружаемых стержней (с выступами и ступеньками) растет, напряжение на их обмотках уменьшается, а магнитное .сопротивление разгружаемых стержней (с выступами и без ступенек) уменьшается, напряжение на их обмотках увеличивается. На выходных зажимах включенных встречно групп обмоток появляется сигнал, пропорциональный приложенному измеряемому усилию P

Равенство нулю выходного сигнала при отсутствии измеряемого усилия (Р = O) обеспечивает практически полное исключение аддитивной составляющей температурной погрешности.

Идентичность магнитных контуров обеспечивает идентичность зависимости выходного напряжения на каждой из вторичных обмоток (подразумевается равенство числа витков) от иэмеряемого усилия, что является непременным условием обеспечения высокой линейности суммарной выходной характеристики.

На фиг. 1-3 показана конструкция устройства в конкретном варианте, когда число стержней преобразователя равно и, а выступы расположены над каждым вторым стержнем, выступы со ступенькой - над каждым четвертым, где на фиг. 1 показан общий вид, на фиг. ?- аксонометрическое изображение преобразователя, на фиг. 3 - аксонометрическое изображеwe силовоспринимающего элемента.

На фиг. 4-6 показана конструкция устройства в конкретном варианте., когда число стержней преобразователя равно 6, стержни беэ выступов, с выступами без ступеньки и с выступами со ступенькой расположены через каждые два стержня.

На фиг. 7 показано схематическое изображение развертки преобразователя при 12 стержнях с выступом над каждым вторым стержнем и ступенькой на выступе над каждым четвертым стержнем; на фиг. 8 - при 12 стержнях, когда стержни беэ выступов, с выступами без ступеньки и выступами,. со ступенькой расположены через каждые два стержня; на фиг. 9- схема включения обмоток преобразователя

Устройство представляет собой магнитоупругий преобразователь 1, изготовленный в виде полого цилинд-.

99887?

10 ра с равномерно расположенными по окружностИ стержнями 2 и продоль" ными окнами 3 одинаковой ширины, в которых размещены обмотки 4, На торце цилиндра, прилегающем к крышке 5 корпуса 6, ближайшем. со стороны действия усилия, над каждым вторым стержнем выполнены выступы 7, упирающиеся в шайбу 8 из немагйитного материала, закрепленную на. крышке. Нижний торец преобразователя

1 (дальнего. со стороны действия усилия) опирается на кольцо 9 из немагнитного материала, имеющее повышенную жесткость. !5

Между кольцом и днищем 10 корпуса расположен упругий элемент 11 (тарельчатая пружина) . В верхней части преобразователя 1, на выступах 7, начиная от их торцевой по- ур верхности, выполнена цилиндричес кая проточка, соосная с общей. осью преобразователя. Ее диаметр приблизительно равен среднему между внешним и внутренним диаметра- д ми преобразователя (на половину стенки цилиндра). На выступах каждого четвертого стержня проточка выполнена, на части высоты выступа, например, 4/5 - 9/10 общей высоты, начиная от торца, и образует ступеньку 12, а на остальных выступах проточка выполнена на всей высоте их. Силовоспринимающий эле- мент 13 выполнен в виде диска 1 4 с

-центральной бобышкой 15, к которой прилагается измеряемое усилие, и штоком 16, достигающим днища корпу-. са. Диск опирается на ступеньки, расположенные над каждым четвертым стержнем.

С целью исключения больших погрешностей, которые могут возникнуть, когда измеряемое усилие прикладывается под некоторым небольшим (до 6 ) углом, бобышка 15 и конец штока 16 закреплены посредством мембран 17 и 18, соответственно в крышке 5 и :днище 10 корпуса 6, чем исключает. ся возможность перемещений бобышЯ ки и штока в плоскостях, перпендикулярных направлению усилия, перекос штока и неравномерность нагрузки на различные стержни преобразователя.

Между концом штока и днищем корпуЯ са имеется зазор 19 величиной 0,5,1 мм. При превышении измеряемым уси лием допустимого значения упругий

8 ,элемент деформируется, шток перемещается и упирается в днище, принимая на себя все избыточное .усилие и защищая преобразователь от перегрузки. Обмотки 4, расположенные на стержнях, над которыми нет выступов, соединены с источником питания. и являются намагничивающими. Наводимый ими магнитный поток замыкается через

1стержни с выступами, Обмотки, размещенные на стержнях с выступами и

/ без ступеньки, соединены последовательно в одну группу, а обмотки стержней, над которыми расположены выступы со ступенькой, соединены последовательно в другую группу. Группы между собой включены встречно, а к свободным концам подключен электроизмерительный прибор.

Устройство работает следующим образом.

Путем завинчивания крышки 5 создается усилие предварительного нагружения P> . Его величина соответствует, например, половине, максимальной рабочей нагрузки, прилагаемой к стержням с выступами 7 путем нажатия на них крышки 5. Приложение к бобышке 15 измеряемого усилия

P ведет. к его передаче через диск 14 на ступеньки 12 каждого четвертого стержня. Таким образом, измеряемое усилие Р должно быть, примерно, в два раза меньше усилия предварительного нагружения Р .

При измеряемом, усилии Р=О магнитные сопротивления всех стержней с выступами, нагруженных равными усилиями предварительного нагружения, равны. Равны магнитные потоки, навоI димые обмотками, размещенными на стержнях без выступов, равны напряжения, наводимые в обмотках стержней с выступами и ступеньками, а также с выступами без ступенек. Разность этих напряжений равна 0.

При P ) 0 магнитные сопротивления стержней, меющих выступы со ступеньками (нагружаемых), растут, а стержней с выступами без ступенек (разгружаемых) уменьшаются. Потоки наводят

ЭДС в обмотках, размещенных на соответствующих стержнях. Встречное включение обмоток нагружаемых и разгружаемых стержней обеспечивает взаимное вычитание наводимых напряжений и получение сигнала. Абсолют-. ная величина выходного напряжения преобразователя в известных преде9 9988 лах определяется коэффициентом трансформации; т.е. отношением числа витков обмоток на стержнях с выступами к числу витков намагничивающих обмоток, размещенных на стержнях без выступов.

Предлагаемое силоизмерительное устройство позволяет по сравнению с известными устройствами аналогичного назначения повысить точность авто- 1е матического контроля массы изделий, автоматического учета грузов, транспортируемых монорельсовыми транспортными системами, ленточными конвейерными и т.п. 15

Формула изобретения

Силоизмерительное устройство, со- щ держащее корпус с установленной на резьбе крышкой, к которой упругим .элементом подпружинен магнитопровод, выполненный в виде полого цилиндра с окнами для обмоток, образующими стержни, и силовоспринимающий элемент, о т л и ч а ю щ е е с я тем, 77 10 что, с целью повышения точности за счет уменьшения погрешности нели".. нейности и аддитивной составляющей температурной погрешности, на торце цилиндра со стороны действия усилия над частью стержней выполнено четное количество выступов, контактирующих с крышкой, а на каждом втором выступе выполнена цилиндрическая проточка, образующая ступеньку, контактирующую с силовосп-ринимающим элементом, причем обмотки всех стержней без выступов соединены с источником. питания, обмотки стерж" ней с выступами и ступеньками соединены последовательно в одну группу, обмотки. стержней с выступами и без

:ступенек — последовательно в другую группу, а обе группы обмоток между собой включены встречно.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР ,11 552528, кл. G 01 L l/12, 1975.

2. Авторское свидетельство СССР

М 220585, кл. G 0 1 L 1/12, 1966 (прототип).