Устройство для измерения силы

СОВХОЗ СОВЕТСКИХСО 1 ИАЛИСтичЕСКихРЕСПУБЛИК ся 5 6 01 3 1/14 ГОСУДАРСТВЕ НЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССРОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Московский институт стали и сплавов(72) А.Г.Фохтин, В,П,Золотов, П,П,Боровой,М.Р,Меньшиков, Ф,А.Петрище, М,И.Антонов,СЛ 4.Пинчуков, В.Г.Фохтин и С.П Андреев56) Преображенский В.П, "Теплотехнические измерения и .приборы". М Энергия,1978, с, 702.Берлин Г,С. "Электронные приборы смеханически управляемыми электродами",М., Энергия, 1971, с. 160,(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯСИЛЫЬ Изобретение относится к области черной металлургии и может быть использовано, в частности, в сталеплавильном производстве для контроля массыИзвестно устройство, содержащее датчик омического сопротивления (тензорезистор), упругуо балку, источник постоянного тока, измерительный прибор. Тензорезисторы, изготовленные на бумажной или пленочной основе, закрепляются с помощью клея БФили бакелитового клея на упругой балке и образуют электрическую схему моста, в диагональ ко.горого подключают источник постоянного тока, а другая диагональ является выходной и подключается на вход измерительного прибора. Под действием приложенной силы упругая балка деформируется, Эта деформация (прогиб) балки вызывает деформацию тензорезистора и изменение его омического сопро.- тивления, в результате чего на выходе 501760387 А 1(57) Сущность изобретения; устройство содержит механотронный датчик в виде сдвоенного диода, анодную нагрузку, высокочастотный генератор, блок преобразования высокочастотного сигнала и измерительный прибор, На датчике установлена упругая мембрана, соединенная с узлом перемещения анода. и образующая с металлическим диском, закрепленным на корпус. конденсатор, который вкл.очен в колебательный контур высокочастотного генератора, вход которого подключен к анодам механотронного датчика. Выход высокочастотного генератора через блок преобразования высокочастотного сигнала подключен к измерительному прибору. 2 ил,моста появляется электрический сигнал, пропорциональный приложенной нагрузке. Величина сигнала является мерой при- ъ ложенной к балке силы.Основным недостатком проволочных Д тензорезисторов является их малый коэффициент тензочувствительности, а для полупроводниковых тензорезисторов характерно более высокая степень зависимости их характеристик от температуры, особенно при отрицательных температурах, кроме того при наклеивании тензорезисторов на упругую балку необходимо учитываразличия температурных коэффициентов расширения тензоэлементов и балки, Температурные условия эксплуатации тензопреобразователей и разные коэффициенты расширения элементов преобразователей и балки ограничивают их применение в качестве преобразователей для измерения силы под действием приложенной массы.10 30 40 45 50 Известно устройство, которое по большинству признаков выбрано нами эа прототип, содержащее механотронный датчик усилий, выполненный в виде сопрях енного с узлом перемещения анода сдвоенного диода, который через анодные нагрузки подключен к источнику питания и измерительный прибор,Недостатком этого устройства является то, что при выборе диапазона чувствительности в соответствии с величиной действующих усилий, необходимо изменить полокение наконечника по штырю узла перемещения анода, в результате чего увеличивается начальный ток через сдвоенный диод, что приводит к повышенной чувствительности прибора в целом, к вибрации и шуму. Кроме того, упругая пластина механотрона, через которую проходит штырь, находится под действием температуры нити накаливания сдвоенного диода, что вызываетт непрерывный дрейф шкалы измерительного прибора, в результате чего в измерения усилий вносятся случайные ошибки, Все зто значительно снижает точность измерения усилий под действием прилагаемых нагрузок. При включении механотрона в измерительную схему, питание которой осуществляется от стабилизированного источника напрякения, требуется применять более сложные технические ре-.шения для приема и усиления сигналов поотоянного тока. особенно, при передачи их на большие расстояния, Применяемая ап. паратура для приема и усиления сигналов постоянного тока не обладает высокой стабильностью температурных и временных характеристик. Следовательно, перечисленные недостатки значительно ограничивают применение указанного механотрона а качестве преобразователя механических усилий в электрический сигнал,Целью изобретения является повышение точности за счет компенсации температурного дрейфаи увеличение чувствительности механотронного датчика усилий,Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения силы, содержащее механотронный датчик усилий, выполненный в виде сопряженного с узлом перемещения анода сдвоенного диода, который через анодные нагрузки подключен к источнику питания и измерительный прибор, согласно изобретению, введены упругая мембрана, установленная на механотронном датчике и соединенная с узлом перемещения анода, металлический диск, неподвижно размещенный параллельно мембране с зазором 0,3-0,5 мм, высокочастотный генератор, в колебательный контур которого включен конденсатср, обкладками которого являются мембрана и металлический диск, вход которого подключен к анодам механотронного датчика, а выход - через введенный блок преобраэования высокочастотного сигнала подключен к измерительному прибору,Преобразование механических усилий с помощью механотронного датчика, подвижный анод которого сопряжен со штырем, в электрический сигнал осуществляется обычно по постоянному току. При передаче сигнала на большие расстояния обычно в этих случаях применяют усилители постоянного тока УПТ). УПТ обладают малым коэффициентом усиления, большим временным и температурным дрейфом, поэтому их применение вносит в результат измерения значительные ошибки. Высокая чувствительность механотронного датчика со штырем к вибрации сужает диапазон его применения, Расширение диапазона преобразований для данного датчика связано сизменением размеров упругой балки и установочных размеров самого устройства, Введение высокочастотного преобразования за счет дополнительного диска, образующего с мембраной механотрона конденсатор, предусматривает п рименение усилителей переме нного тока, которые по своим параметрам в значительной мере превышают УПТ, Используемое двойное преобразование, сочетаощее преобразование по постоянному и переменному токам, увеличивает коэффициент преобразования, повышает точность измерения, выделение полезного сигнала на фоне действующих электромагнитных полей. Предлагаемая конструкция преобразователя допускает расширение диапазона преобразования механических усилий за счет регулирования предварительного нагружения мембраны механотрона, не уменьшая при этом чувствительности устройства.Предлагаемое устройство представлено на фиг. 1 и 2.1 Леханотрон 1 устанавливают в октальную панель 2, закрепленную на сланце-панели 3, на котором затем располагают кольцо 4, имеющее высоту 100 мм, а внутренний и наружный диаметрь 1 38 и 42 мм соответственно. В кольцо 4 вставляют упор 5, выполненный в виде полусферы, сопряженной с цилиндром, через которые выполнена сквозная резьба М 2,5, Фланец-панель 3, кольцо 4, упор 5 выполнены из стали марки 40 Х и закалены. Крышка б и втулки 7 выполнены отдельно из гетинакса, а затем склеены между собой клеем БФ. Йток 8 выполнен в виде двух цилиндров из винипласта, причем на наружной поверхности большего цилиндра Выполнена резьба М 2,5, Диск 9 выполнен из мягкаи жести отверстием 3 мм по центру и закреплен на втулке клеем БФ. К Диску 8 приг 1 аян гибкий изолированный провод сечением 0.2 мм, Крышку б вместе с втулкой 7 и диском29 размещают на обечайке - мембранной коробке меканотрона 1, так, чтобы зазор между диском 9 и мембраной механотрона 1 составлял 0,3-0,5 мм, Диск 9 и мембранную коробку механотрона 1 с помсчд 1 ю гибких изолированных проводов подключсчотсвободным ламелям панели 2.Генератор 10 выполнен на дву; транзисторах типа КТ 315, в цепи обратной связи которого включен конденсатор 11, образованный диском 9 и мембраной механотрона 1, Выход измерительной схемы и постоянному току, Включающей анодныс нагрузки (сопротивление 84) сдвоенного диода подключен к шинам генератора 10. Выход генератора 10 подклюен на вход высокочастотного преобразователя 17, Зы" пал неннага нд Опердциан 110 г 1 усилителе ти па К 553 УД 1 и диодах типа Д 2, Выход Высокочастотного преобразователя 12 подключен на вход измерительноГО прибора 13- самопишущего потенциометрэ типа КСП. Источник питания 14 имеет выходные напряжения 24 В + 12 В постоянного тока и 6,3 В переменного тока, Генератор 10 выполнен на отдельной плате печатным монтажом и закреплен нэ фланце-панели 3. Источник питания 14, Высокочастотный преобразователь 12 выполнены вместе на отдельной плате печатным монтажом и помещены в отдельный корпус.Устройство работает следу 1 ощим образом.Сборку устройства (датчик), включающую механотрон 1, кольцо 4, фланец-панель 3, упор 5 вместе с платой генератора 10 устанавливают на обьекте и закрепляют винтами по фланцу 3, Включают источник питания 14 и через 15-20 мин устройство готово к работе. При Включенном источнике питания 14 генератор 10 находится в возбужденном состоянии, режим которого обусловливается падением напряжения на анодной нагрузке (сопротивление Л 4) сдвоенного диода механотрона 1 и исходной величиной емкости конденсатора 11, т.е, на выходе генератора 10 формируется сигнал амплитуда и частота которого обусловливается этими исходными параметрами, Сигнал с выхода генератора 10 поступает на вход высокочастотного преобразователя 12, Этот сигнал восстанавливается по мощности операционным усилителем преобразователя% 1 П 15 20 25 30 35 40 4 Г 50 55 12 и преобразуется из переменного сигнала В постоянный с памащь 10 ДИОДОВ типа Д 2.Выбрань 1 эя схема Г 1 ео" аоватгдя 1 в виДз акти В но ГО Вы Г 113 Ям 11 Геля 1":аз Род 1: Г Увел 11- чить чувствительность и уме"ьшить динамическую ашиоку греобразавания. Одна 1 о порог ч" с-.твитедь 11 огть преобразователяя устанаьливаегся по начальной гмпдитуде сигнала с Выхода генератора 10 путем подачи смещения на Вход ОГ 1 ерационного усилителя преобразователя 12. Таким образом, в . Сходном соста 1 п 1 ии включения устройства гтрелкл измерительного прибора 13 находится в положении нуля. Устанавливают положение штока 8 в упоре 5, Для этого вращают Отверткой шток 8 и следят за показаниями стрелки измерительного прибора 13; касание штоком 8 мембраны не должно вызывать изменения ее положения, Действие механической нагрузки производится сверху через упор 5, Под действием этой нагрузки происходит деформация кольца 4 - сжатие, При сжатии кольца 4 шток 8 линейно перемещается вниз на Величину деформации кольца 4 и вызывает смещение мембраны механотрона 1, Смещение мембраны относительно диска 9, зафиксированного на Втулке 7 приводит к изменению емкости конДенсатора 1и ОД новременно к изменению тока через сдвоенный диод, В результате этога смещения мембраны на шинах генератора 10 появляется напряжение паопорциональное изменени 1 о тока через анодную нагрузку (Я 4) сдвоеннога диода, а в цепи обратной связи генератора 10 происходит изменение емкости конденсатора 11. Вследствие изменения э-;их параметров на выходе генератора 10 появляется сигнал, амплитуда и частота КатОРОГО ОгГЛИЧаЕтСЯ От ИСХОДНОГО ЗНаЧЕНИЯ.Этот сигнал поступает на вход преобразователя 12. Вследствие того, что амплитуда этого сигнала превышает пороговое значение преобразователя 12 на его Выходе формируется постоянное напряжение, величина которого пропорциональна Величине поступающего сигнала. Напряжение с выхода преобразователя 12 поступает на вход измерительного прибора 13 и вызывает отклонение стрелки, Отклонение стрелки пропорционально величине поступа 1 ощег: напряжения и может служить мерой для оценки действия механической нагаузки на упор 5, Зазор между диском 9 и мембраной механотрона 1 0,3-0,5 мм зыбран из условия образования большей емкости конденсатора 11, Изменение сигнала на Выходе Генератора 10 по частоте составляет 0.168 ЫГц, начальная частота - "5 1.1 Гц, а по амплитуде - 0,12 В, Высокая частота и амплитуда сигналаобеспечены схемным решением устройства. Использование двойного поеобраэованяя механических усилий в сигнал сложной .ормы по постоянному току и по ысокой частоте обеспечивает увеличение чувстви тельности и динамики преобразования, стабильность параметров устройства по времени и по температуре, обеспечивает в целом точность преобразования и надежность в работе, 10Пример конкретной реализации,Сборка устройства датчик) была установлена на рельсе, по которому перемещалась тележка с мульдг ми для доставки шихты в мартеновскую пеь. Устройство для 15 измерения усилий было протарировано на прессе по нагрузке до значения .- более 25 тонн с точностью + 125 кг в соответствии с точностью измерительного прибора 13. Операция взвешивания занимала не болсе 20 5 т/с, Средняя масса груженных шихтой мульд составляла в зависимости от плотности взвешиваемой шихты и других материалов 8 - 9,45 т, а масса шихты - 3 - 4,55 т. Временной дрейф устройства составлял не 25 более 7,5 кг/ч, а температурный дрейф не более 4,5 кг/С в диапазоне температур от -35 до+70 С.Использование предлагаемого устройства по сравнению с прототипом позволит "0 получить следующие технико-экономические преимущества:позволит производить взвешивание от 125 кг до 25 т; иметь малый временной и температур ный дрейф 7,5 кг/ч и 4,5 кг/ОС соответственно;улучшить помехозащищенность устройства при работе в условиях действия сильных электромагнитных полей;расширить диапазон взвешивания масс, не изменяя конструкции и габаритов элементов устройства. Формула изобретения Устройство для измерения силы, содержащее механотронный датчик усилий, выполненный в виде сопряженного с узлом перемещения анода сдвоенного диода, который через анодные нагрузки подключен к источнику питания, и измерительный прибор, отл ича 1 о щее с я тем, что, с целью повь,шения точности за счет компенсации температурного дрейфа и увеличения чувствительности, а него введены упругая мембрана, установленная на механотронном датчике и соединенная с узлом перемещения анода, металлический диск, неподвижно размещенный параллельно мембране с зазором 0,3-0,5 мм, высокочастотный генератор, в колебательный контур которого включен конденсатор, обкладками которого являются мембрана и металлический диск, вход которого подключен к анодам механотронного датчика. а выход через введенный блок преобразования высокочастотного сигнала подключен к измеоительному при- боруи ГКНТ СССР оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 10 аз 3180ВНИИПИ Госу Тиражвенного комитета по изобретен 113035, Москва, Ж, Рэушская Подписноем и открытиямаб 4/5