Способ измерения сил магнитоупругим преобразователем

(51) 4 С 01 1, 1/1 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Тюменский индустриальный институт им.Ленинского комсомола(56) Авторское свидетельство СССРУ 887948, кл. С 0 1 В 1/12, 1978,(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛ МАГНИТОУПРУГИМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ(57) Изобретение относится к силоизмерительной технике и может быть использовано для создания точных устройств для измерения сил. Цель изобретения - повышение точности измерения. Способ измерения сил реализуется с помощью устройства, При градуировке силоизмерительного устройЯО 1224619 ства при каждом фиксированном черезопределенные интервалы значении эталонной силы через коммутатор 23 цепьвыходной обмотки 22 магнитоупругогопреобразователя 20 поочередно замыкается на резисторы 25, 26 и 27.Напряжения, действующие на этих резисторах, через коммутатор 24 подаются на вход цифрового измерительного прибора 28 и измеряются. Измеренные значения вместе с соответствующими значениями эталонной силызаписываются в память микро-ЭВМ 29,где хранится информация. При рабочемизмерении так же, как.и при градуировке, результаты измерений вводятв ЭВМ, где вычисляют уточненное значение выходного напряжения и по функции преобразования определяют значение измеряемой силы. 5 ил.(2) Ч - Ч = Ч м к 4 50 Изобретение относится к силоиэмерительной технике и может быть использовано для создания точных устройств для измерения сил и является усовершенствованием способа измерения сил магнитоупругим преобразователем по авт.св. 1 887948.Цель изобретения - повьшГение точности.На фиг. 1 показан сердечник магнитоупругого преобразователя и схема замещения его магнитной цепи; на фиг.2 - схема замещения магнитной цепи в виде магнитного моста; на фиг.З - веберамперные характеристики плеча магнитного моста; на фиг 4 - функции преобразования магнитоупругого преобразователя; на фиг.5 - схема силоизмерительного устройства,Сердечник 1 магнитоупругого преобразователя состоит из пластин электротехнической стали, собранных в пакет. Выступы пластин образуют гребешки, к которым приложена действующая на преобразователь сила Г. Сердечник имеет четыре отверстия для взаимно перпендикулярных обмоток. От- верстия 2 и 3 предназначены для намагничивающей обмотки, отверстия 4 и 5 - для выходной обмотки.Намагничивающая обмотка питается переменным током и создает магнитный поток где 1 - магнитный поток в горизонтальных участках сердечника, расположенных между отверстиями 3 и 5 и междуотверстиями 2 и 4,"Р, - магнитный поток в вертикальных участках сердечника,расположенных между отверстиями 3 и 4 и между отверстиями 2 и 5. Под действием силы Р магнитное сопротивление вертикальных участков увеличивается. При этом магнитный поток.Р перераспределяется между горизонтальными и вертикальными участками сердечника, расположенными между отверстиями для обмоток. Часть потока Р, обозначенная на фиг.1 через 9, охватывает отверстия 4 и 5, в которых расположена выходная обмотка, Поток % наводит в выходной обмотке электродвнжущую силу, зависящую от приложенной к преобразователю измеряемой силы Р. На зажимах питания схемы замещениямагнитной цепи (фиг.1) действуетмагнитодвижущая сила Ч, созданнаянамагничивающей обмоткой. Под дей ствием Ч по магнитной цепи протекает магнитный потокр, пропорциональный приложенному к намагничивающейобмотке синусоидальному напряжениюпеременного тока, На фиг.1 магнитные 10 сопротивления обозначеныЕ, Е - сопротивления соответственно вертикальных .игоризонтальных участков,расположенных между от верстиями для обмоток;Е - сопротивления внешних6участков, по которымзамыкается поток 9;Е 1- сопротивления участков, 20 по которым замыкаетсяпоток, сцепленный с выходной обмоткой;Е, - магнитное сопротивление,вносимое в магнитную 25 цепь выходной обмоткой.Схема замещения, приведенная нафиг.2, эквивалентна схеме на фиг.1,при этом в измерительную диагональмоста включен элемент сопротивлениекоторого Е эквивалентно сопротивле 3униям участков, по которым проходятмагнитный потокЧ, сцепленный с выходной обмоткой. На фиг.2 плечи моста с сопротивлением Е являются активными, т.е. воспринимающими измеряемую величину. Сопротивление Езависит от измеряемой силы Р. Плечимоста, сопротивление которых обозначено через Е, являются компенсационными.Для показанной на фиг.2 мостовойцепи справедливо равенство где 7, Ч - комплексные амплитудымагнитных напряженийсоответственно активного Е и компенсационного Е плеч моста;7 - комплексная амплитудамагнитного напряженияизмерительной диагоналимоста. На фиг.З показаны веберамперные 55 характеристики плеча магнитного моста для двух значений температур.Кривая 6 соответствует температуре 20 С, кривая 7 - 260 С. Кривые 6 и7 построены по кривым намагничивания электротехнической стали 3330. Вебер. амперные характеристики соответствуют отсутствию внешней механической нагрузки (Р = О) и представлены в координатах амплитуда магнитной индукции - амплитуда магнитного напряжения. Кривая б отвечает условиям градуировки магнитоулругого преобразователя,Если мост сбалансирован, то Такое состояние моста отмеченоточкой 8 на кривой б и точкой 10 накривой 7. При изменении влияющихусловий, например, вследствие магнитоупругого гистерезиса или изменениятемпературы, сопротивления активныхи компенсационных плеч могут измениться не в равной степени. В результате балансировки моста нарушается ипо измерительной диагонали протекаетначальный магнитный поток б 7 (приР = О). При положительном значенииР поток в активном плече уменьшитсяна 0,5 дР. Этому состоянию соответствует точка 11 на кривой 7. Еслипри нормальных условиях начальноесопротивление плеча моста определялось углом между горизонтальнойосью и прямой 9, то при наличии аддитивной погрешности это сопротивление определяется углом между осьюи прямой 12,По мере роста силы Р, действующейна магнитоупругий преобразователь,увеличивается сопротивление активного плеча. Поток в активном плечеуменьшается, а в компенсационном увеличивается. Наличию полезного сигнала в измерительной диагонали мостасоответствует точка 13. Увеличениесопротивления активного плеча с ростом Р обУсловлено работой магнитного поля против внешней силы, которая осуществляется благодаря магнитострикции. В компенсационном плече наличию начального выходного потока д% и полезного сигнала Р соответствует перемещение точки, характеризующей магнитное состояние плеча, вправо от точки 10.Та часть погрешности магнитоупругого преобразователя, которая может быть найдена при измерении по предлагаемому способу, определяется благодаря зависимости ее от сопротивле ния диагонали моста 2 . Поэтому из 9мерения производятся при нескольких значениях сопротивления в цепи выходной обмотки преобразователя,Нужное значение сопротивления 2 устанавливается путем подключения к зажимам выходной обмотки нагрузки с соответствующим электрическим сопротивлением. 10 фиксированные значения эталонной силы, прикладываемой к преобразователю при градуировке;значение силы, прикладываемой к преобразователю при рабочем измерении;выходные напряжения преобразователя при раоочем измерении, соответствующем трем значениям сопротивления нагрузки в цепи выходной обмотки преобразователя;выходные напряжения преобразователя, соответствующие трем значениям сопротивления нагрузки в цепи выходной обмотки преобразователя, которые могли бы быть получены при приложении к преобразователю силы Р в условиях градуировки;выходные напряжения преобразователя, соответствующие трем значениям сопротивления нагрузки в цепи вы 30 и3 40 45 50 1 ф 2 ф 3.)55 При градуировке получают три функции преобразования 14, 15 и 16 (фиг.4)магнитоупругого преобразователя притрех значениях сопротивления нагруз ки, подключенной к выходной обмотке,соответственно 2 2 и 2 з, причем 2, 2 ) 2,. Самое большое сопротивление 2, может быть равно входному сопротивлению прибора, применен ного для измерения выходного напряжения магнитоупругого преобразователя,Каждому значению 2, соответствуетсвое значение 2 , При 2 = о 2 = О.3эНа фиг.4 приняты следующие обоз начения:(11)55 Чго Ч= ЧЧз ЧэР Чзо ю(13),5 12246ходной обмотки преобразователя при градуировке;Д Р - погрешность преобразователя при рабочемизмерении по функциипреобразования 14;, Д , д, - соответствующие отклонения значений Ч 1 РЧ и Ч от значений 1 ОЧ, ЧЧ;Ч , Ч - образцовые напряженияво ф зои соответствующие импараметры Ч и чопределяемые по результатам рабочих измерений из функцийпреобразования 14,15 и 16.При этом точками 17, 18, 19 помечены координаты значений Ч , Чгр,1 Е фЧз при рабочем измерении,Участки а Ь, де,функций преобразования 14, 15 и 16 соответствуют погрешности Ь Г, причем из геометрических соображений следует, что где К - отношение чувствительносгти по функции преобразования 15 к чувствительностипо функции преобразования14 при данном РК - отношение чувствительности3по функции преобразования6 к чувствительности пофункции преобразования 14при данном Г.40При этом, если Ч, Чсч, ., тоЧ(7) Из графика на фиг.4 следует, что19 Ьгдеи Д - некоторые условныеэпогрешности, тоиз (4) и (5). следует, что: причем отклонение Л, можно опрелелить как д - Ьа -( 1 - к ).(16)Кг При этом уточненное значение выходного напряжения преобразователя, по величине которого судят об измеряемой силе, определяют из выражения или с учетом выражений (8), (9), (10)(.- К ч,- ч,- к,(ч- ч )ав. ",юг:2.1 - Кз Предложенный спосоо измерения сил магнитоупругим преобразователем может быть реализован с помощью силоизмерительного устройства (фиг.5).Силоизмерительное устройство содержит магнитоупругий преобразователь 20 с намагничивающей 21 и выходной 22 взаимно перпендикулярными обмотками, коммутаторы 23 и 24, резисторы 25, 26 и 27, сопротивления которых неодинаковы, цифровой измерительный прибор 28, микро-ЭВМ 29 и каналы для передачи измерительной информации и сигналов управления 30 - 33.Через коммутатор 23 выходная обмотка 22 магнитоупругого преобразователя 20 замыкается на один иэ резисторов 25, 26 или 27, Резистор, подключенный к выходной обмотке 22 магнитоупругого преобразователя 20, через коммутатор 24 присоединен к входу цифрового измерительного прибора 28. Цифровой измерительный прибор 28 и коммутаторы 23 и 24 связаны с микро- ЭВМ 29 каналами для передачи измерительной информации и сигналов управления 30 - 33. Управление цифровым1-К2К - К Ч . - Ч 10+1) 14 40 р тЬ+ )Ч (Ч Ч 7 1 измерительным прибором 28 и коммутаторами 23 и 24 осуществляется микро- ЭВМ 29, которая выполняет. также все вычислительные операции, предусмотренные процедурой измерения.При градуировке силоизмерительного устройства при каждом фиксированном через определенные интервалы значенияэталонной силы я через коммутатор 23 цепь выходнои обмотки 22 магнитоупругого преобразователя 20 поочередно замыкается на резисторы 25 - 27. Напряжения Ч, , Ч , Ч ., действующие на этих резисторах, через коммутатор 24 подаются на вход цифрового измерительного прибора 28 и измеряются. Измеренные значения напряжений Ч, Ч Чвместе с соответствующими значениями эталонной силы (д) записываются в память микро-ЭВМ 29, где эта информация хранится.При рабочем измерении также, как при градуировке, поочередно к выходной обмотке 22 магнитоупругого преобразователя 20 подключаются резисторы 25 - 27 и измеряются действующие на них напряжения Ч , Ч , Ч р, Результаты измерений вводятся в микро-ЭВМ, где по описанному выше алгоритму вычисляется уточненное значение выходного напряжения Ч, и по функции преобразования основанной на совокупности значений Ч определяют значение измеряемой силы. Формула изобретения Способ измерения сил магнитоупругим преобразователем по авт.св, В 887948, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности,при градуировке и рабочем измерениидополнительно измеряют выходные напряжения преобразователя при третьемзначении сопротивления нагрузки вцепи выходной обмотки преобразователя, а уточненное значение выходного напряжения преобразователя, повеличине которого судят об измеряе мой силе, определяют из выражения Ч- Ч - к (Чр- Ч, ) 15 Ч Ч Кй(Чр - Чу )1 - К 25где индексы 1,2,3 относятся к значениям выходных напряжений преобразователя, соответствующих трем различным значениям сопротивлений нагрузкив цепи его выходной обмотки;индекс р относится к значениямвыходных напряжений преобразователя,измеренных при рабочем измерении;индексы 3 и 3 + 1 относятся кзначениям выходных напряжений Ч преобразователя, измеренных при фиксированных значения эталонной силыпри градуировке, которые выбираютсяиз условия1224 б 19 й фФиа 4 оставитель А,Ам ехред ИПопович нов Товти орректор С.Че ак оизводственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул.Проектная, 4 аэ 1941/39 ВНИИПИ по де 113035, раж 778 Подписноеударственного комитета СССРм изобретений и открытийосква, Ж, Раушская наб., д. 4