Датчик силы

(51)5 С 01 Ь 1/10 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Цель - повышение точно еряе н из бъем и. Изна одиовыхтор 1чногоеформ мое усилие воздеистдвух идентичных полуных резонаторов - рполненный в виде гелиндра, что приводиругих боковых стеноуменьшению расстоянми возбужден.я 3 ив в обратт рой резГо в выо 8) м ации го и ычков С,И, Радива, М., 1969,. 14. к послия межд у катушкколебан съема 4 ную свя онатор телем 1 мпенсац й средь зь усил ключе инымиеля 13, Вто тотные датчики и управления.с. 2-21 а. с катушненагр ками 9 и 10 и усил жен и служит для к изменений окружающ сигналы усилителей на входы смесителя ной сигнал которог(54) ДАТЧИК СИЛЫ борое ьзованоизмеритеных изаетности стоты пос Для возм изкои гулцили в томер 2выходноустаковл дров и 5,сигнала в рцах чные ои запературсреды,пор и регулиртственно. л. от госУд АРственный НОмитетПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(57) Изобретение относится строению и может быть испо при разработке сило- и вес лей, работающих в высокото мерительных системах с выс щищенностью от изменений т и других влияний окружающе 1 ии влиянияВыходныеподаютсятный выходфильтр 19а частоИзобретение относится к приборостроению, в частности к силоизмерительным преобразователям, и может быть использовано в весах.1 ель изобретения - повышение точ 5 ности.На фиг. 1 изображена блок-схема датчика силы; на фиг, 2 - цилиндрический упругий элемент; на фиг, 3 - упругий элемент в виде сильфона.Датчик силы содержит полуволновый объемный резонатор 1, который имеет внутренюю цилиндрическую полость 2, внутри которой размещены датчики 3 и 4 перемещения, выполненные в виде катушек любой конструкции. Размещение и положение витков катушек должно быть таким, чтобы обеспечивались максимально высокая добротность резона тора и надежная работа генератора при его самовозбуждении и в процессе эксплуатации. Одна из отражающих поверхностей резонатора, например нижняя, выполнена подвижной в виде поршня 5. 25 Поршень 5 предназначен для настройки на резонансную частоту, при достижении которой расстояние между верхней и нижней отражающими поверхностями равно одной полуволне 3 /2 электро магнитного пля, при этом. = Л/2,(1) где . - расстояние между отражающимиповерхностями.Расстояние между катушками 3 и 4, в качестве которых могут быть использованы и отрезки проводников типа штурей, петель или полупетель, выбираются таким, чтобы между ними достигалась достаточно большая связь по электромагнитному полю, Резонатор 140 установлен на опорной плите 6. Резонатор 7 выполнен аналогично резонатору 1, при этом название и назначение элементов 8-11 в точности соответст 45 вует названию и назначению элементов 2-5, Резонатор 7 установлен на опорной плите 12, Катушки, (датчики перемещения) 3 и 4 соединены соответственно с выходом и входом электронного усилителя 13, выполненного на транзисторе или радиолампе, причем катушка (датчик перемещения) 3 предназначена для накачки электромагнитной энергии в резонаторе, а катушка (датчик перемещения) 4 предназначена для отвода части этой энергии на вход .усилителя 13 для его самовозбуждения, 8. совокупности резонатор с элементами 3-5 и усилитель 13 образуют измерительный генератор с напряжением П питания. Этот генератор может быть сверхвысокочастотным и работать в гигагерцовом диапазоне частот. Если частота не превьшает более 1500 ИГц, то связь генератора осуществляется по проводу, в случае более высоких частот эта связь осуществляется через волновод 14, называемый ответвителем. Резонатор 7 со всеми входящими элементами 8-11 подключен к входу усилителя 15, аналогичному усилителю 13. В совокупности они образуют генератор опорной частоты, подключенный через связь 16 к индикатору 17, выполненному в виде частотомера, проградуированного в единицах веса. Частотомер выполнен цифровым и может производить вычитание или деление подаваемых на него частот Г и ГяНа фиг. 2 и фиг. 3 приведена конструкция полуволнового резонатора, выполненного в виде цилиндра, с резонансной частотой, равнойГ = с/Е(2) (2))где с - скорость распространенияэлектромагнитной волны внутри резонатора.Для увеличения добротности, дости" гающей в этом случае порядка нескольких сотен тысяч, необходимо стенки резонатора полировать, золотить или серебрить, а из внутренней .полости (или 8) резонатора 2 выкачать воздух.Резонатор (фиг. 2), выполненный в виде цилиндра, предназначен для весов большой грузоподъемности (единицы и десятки или сотни тонн), а резонатор (фиг. 3) - для весов меньшей грузоподъемности. Внутри сильфона может быть размещена пружина,Возможен также вариант выполнения упругого элемента на базе использования резины или другой композиции, причем в этом случае должна быть предусмотрена экранировка элементов полуволнового объемного резонатора, выполняемых аналогично упругому элементу, изображенному на фиг. 3.В резонаторах 1 и 7 могут бытьразмещены .усилители 13 и 15 с элементами связи, что приводит к повышению точности весов за счет повышения стабильности генераторов,Датчик силы работает следующим образом.На грузоприемную платформу (не показана) действует сила (вес) Р, передаваемая через шар на резонатор 1, При этом происходит деформация стенок, в результате чего расстояние между отражающими поверхностями (поршень 5 и поверхность А) уменьшается в соответствии с законом Гука, Режим линейной деформации выбирают в зависимости от веса, в соответствии с чем измерительный генератор изменяет свою, частоту, которая будет равна55Г = С/(Ь) (2) ф (3) где 1 - уменьшение расстоянйя Т, вследствие воздействия веса Р на резона 45 15785На фиг, 1 изображен датчик силыдля одноопорного взвешивания. Предлагаемые весы могут быть использованыи для многоопорного взвешивания, еслииспольэовать не пару резонаторов, а,например, втрое больше, подключаемыхк индикатору (частотомеру) 17 поочередно с помощью специально введенного коммутатора (не показан). При этомсуммарный вес будет равен сумме полученных весов. Грузоприемная платформа выполнена общей. Груз или сила Рпередается на измерительный резонатор 1 через шар, для которого выполнено специальное место.Поршень 5 предназначен для первоначальной установки измерительногогенератора на нужную частоту. Поршень11 предназначен для обнуления в процессе эксплуатации. Резонатор 7 силойвеса не нагружается (фиг. 1) и предназначен исключительно для температурной компенсации и обнуления. Есливесы предназначены для работы в стабильных температурных условиях, торезонатор 7 может быть заменен кварцевым, тогда на выходе усилителя 15необходимо включить умножитель частоты. Обнуление частоты можно производить в этом случае с помощью поршня 5,Смеситель частоты подключен черезсвязь 18 к входу фильтра 19 низкихчастот, Выход филтра через связь 20соединен с частотомером 21, выполняющим функции индикатора, проградуиро:ванного к единицах веса. Остальныеэлементы аналогичны элементам, рассмотренным выше (А - отражающая по 40верхность),26 6тор 1, при этом для цилиндрического упругого элемента;1 = РТ./ЕБ, (4) где Е - модуль упругости Юнга материала, из которого выполненупругий элемент;Б - площадь поперечного сеченияупругого элемента.Сигналы частот Е 1 Г 2 где Га -частота опорного генератора, равная С/1,(2)о, поступают через волновод 14 и связь 16 (фиг. 1) на индикатор (частотомер) 17, где происходит вычитание этих частот: Г э =- ГИндикатор (частотомер) 17 проградуирован в единицах веса. В частном случае с помощью индикатора (частотомера) 17 искомый вес может быть определен как отношение частот Т/Г . При этом учитываются все числа, полученные после единицы, которая должна быть отброшена.После определения разности частот й с помощью элементов 17 и 19 определяют вес (силу). С помощью фильтра 19 низких частот выделяется разностная частота ;з, поступаемая затем на вход частотомера 21, проградуированного в единицах веса. Предварительно перед взвешиванием, т.е. при Р = О, весы обнуляются с помощью перемещения поршня 11, а частота Г должна быть равна нулю.П р и м е р. Пусть высота резонатора 1 будет равна 21,2 см. Для уве" личения хода Т в стенках резонатора (см. фиг. 2) выполняют канавки или используют материал с относительно небольшим значением модуля Е, напри" мер бериллиевую бронзу Бр-Б 2. В соответствии с формулой (2) при Р = 0 резонансные частоты резонаторов 1 и 7 - .должны быть равны, т,е.- 3 10/21,2(2)- 1000 ИНг,где с = 3 106 см/с.Допустим, будем взвешивать вес,равный 1000 кг, При этом деформациярезонатора 1 составит 2 мм. В соответствии с выражением (3) частота измерительного генератора будет равнай, = С/(1.-1) (2)ок 30,101 о/(21 2- 0,2) (2) ф= 1010151116 НгРезонансная частота на табло индикатора (частотомера) 17 (фиг. 1)без градуировки его в единицах весаравна1010151116 - 100000000010151116 НгЧастота на .один грамм измеряемого веса равна5Е = Е /Р 10,15 Нг/18Обратная величина 1/Е = цй0,0985 8/НЯ.Пусть добротность изготовленного резонатора будет равна Я = 4 10 . Тогда максимальная флюктуация частоты за 1 с будет равнаР (Е + Е) /2 Я = (1010151116 + + 1000000000) /2 400000 = 2517 НгПогрешность в измеряемом весе при этом составляетВр = Г о = 25170,0985246,3 я = = 0,246 К 8Относительная погрешность в процентах равна П , Е = 0,0246 В действйтельности, используя частотомер можно производить измерения получив выигрыш по точности в (Т)100 = 10 раз. 25В формуле (3) в величину расстояния Ь входит также и расстояние между отражающими поверхностями, изменяемое за счет обнуления движением поршня 5 или 11, т,е, Ь = Ь+ Ь 30 где Ь - расстояние, изменяемое с помощью поршней 5 или 11;Ь - расстояние, которое органамиобнуления изменить нельзя,Наибольший ход может быть получен35 при использовании различного рода оболочек, например сильфонов, сфер, цилиндров и др., а также путем выбора оптимальной толщины стенок резонаторов, материала, конфигурации, длины и других параметров. Это позволяет получить желаемую точньсть весов. Следует также отметить, что большой динамический диапазон взвешивания, достигаемый в предлагаемой конструкции весов. Например, указанный ранее вес 1000 кг можноизмерять с большой точностью беэ необходимости переключения датчиков и других электронных устройств.формула изобретенияДатчик силы, содержащий измерительный и компенсационный преобразователи, каждый иэ которых выполнен в виде упругого элемента и связанных между собой возбудителя и приемника колебаний, в виде катушек индуктивности, два усилителя, входы которых подключены к соответствующему возбудителю, а выходы - к приемнику колебаний, и частотомер, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения точности, в него введены смеси- тель частоты и фильтр низких частот, упругие элементы выполнены в виде идентичных герметичных цилиндрических камер с упругими боковыми стенками и регулировочных поршней, установленных с возможностью перемещения в одном иэ торцов цилиндров, во внутренней полости которых установлены соответствующие возбудитель и приемник колебаний, акустически связанные между собой, при этом выходы усилителей подключены через смеситель частоты и фильтр низких частот к входу частотомера.1578526 14(1 б) Составитель И.ЖуковТехред Л,Сердюкова Корректор Т,Палий едакто в аказ 1908 Госуд изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 101 Ощберсаие для дыи 3 а аааЮа 7 Тираж 474ственного комитета 113035, Москва, Ь Подписноео изобретениям и открытиям при ГКНТ СЧСР35, Раушская наб д, 4/5