Силоизмерительное устройство

ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскикСоциапистическикРеспублик и 998877(61) Дополнительное к авт. саид-ву(22)Заявлено 11.09,81 (21) 3342103/18-10 1 Ы)М КЛ с присоединением заявки М 6 01 1. 1/12 Гваударфффкфф каиктат СССР в аеази взебретеккй и атврытий(53)УДК 531. ;881(088,8) Опубликовано 23.,02.83. Бюллетень М 7 Дата опубликования описания 23.02.83 иевский институт автоматики и У съезда КП Заявнтел(54 .СИЛОИЗИЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙС приборо" ьзовано измерения м ленных тра весоиз- втомобиль сов рах о и т,п.тчики,е даить инеипуте пре х вытик инь ни азом, чтобы составляю- противопоосновнои и ватели маг и трансвленные ые одним и м одновре- готовлены 1Изобретение относитсястроению и может быть испсистемах автоматическогосы, в том числе на промышпортных системах (конвейемерительные платформы дляного и узкоколейного рельспорта), различных дозато,Известны магнитоупругикоторые позволяют обеспечность выходной характерисиспользования двух нелинобразователей и суммироваходных сигналов таким обрдва сигнала, квадратичныещие которых равны, имелиложные знаки ( 11.При этом используютсявспомогательный преобразотоупругие дроссельного илформаторного .типа, устанодруг на друга и нагружаемтем же измеряемым усилиеменно. Преобразователи из из различных материалов или имеют.существенно различные соотношения конструктивных размеров, благодаря чему их выходные характеристики разли чаются чувствительностью и нелиней" ностью. Числа витков обмоток основного и вспомогательного преобразователей выбраны таким образом, чтобы нелинейности характеристик по абсо" толютным приращениям на единицу уси-.лия были равны. Затем 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 нелио нейности. Выполнение этого условияпредставляет тем большие сложности, чем более высокая линейность ха" рактеристики должна быть достигнута.40 Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство, содержащее корпус и магнитоупругий преобразователь, вы- полненный в виде двух коаксиальнорасположенных полых цилиндров. Внеш.ний поджат торцом, ближайшим со стороны действия. усилия, к кольцевому выступу корпуса посредствомупру гого элемента (кольца),расположен ного со стороны другого торца цилиндра, дальнего со стороны действия усилия, и снабжен внутренним выступом (кольцевым) у этогоже торца по периметру сечения цилиндра, 15 расположенным в плоскости, перпендикулярной направлению усилия. Вйутренний цилиндр упирается в кольцевой выступ внешнего цилиндра одним торцом, а на другой свободно опирается съем- р 0 наякрышка корпуса, являющаяся силовоспринимающим элементом 2 1.Магнитоупругий преобразователь снабжен сквозными отверстиями в каждом из цилиндров, в которых, расположез ны обмотки, выходы которых связаны с измерительной схемой.Известное устройство для измерения усилий не обеспечивает достаточной точности измерения вследствие того, З 0 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 - повышениеточности измерения усилий за счет уменьшения .погрешности нелинейности и аддитивной составляющей температурной погрешности.Поставленная цель достигаетсятем, что в силоизмерительном устройстве на торце; цилиндра со стороны действия усилия над частью стержнейвыполнено четное количество выступов,контактирующих с крышкой, а на каждом втором выступе выполнена цилиндрическая проточка, образующаяступеньку, контактирующую с силовоспринимающим элементом, причем обмотки всех стержней без выступов соединены с источником питания, обмотки стержней с выступами и ступеньками соединены 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 деталиВыполнение 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 бобышкойВыполнение 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 уси/99 ав лием предварительного нагружения;. - поскольку выступы упираются в крышку. Равномерное распределение усилия предварительного нагружения между стержнями с выступами обеспечивает з упругий элемент, прижатый к торцу преобразователя,дальнему со стороны действия усилия, днищем корпуса. Стержни, над которыми нет выступов, остаются ненагруженными. На этих тВ , стержняхрасположенц обмотки, сое;дийенные с источником питания и создающие намагничивающий поток, Поскольку при отсутствии измеряемого усилия соседние стержни (с выступом и ступенькой с одной сторонц и с выступом без ступеньки с другой) оказйваются нагруженными равными усилиями предварительного нагружения, их магнитные сопротивления оказываются 20 увеличенными на одну и ту же величи-, ну,.равными оказываются и ответвляющиеся в них магнитные потоки. Обмотки стержней с выступами и стуленьками соединены последовательно в одну 2 ф 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 компенсируют- сигнал на выходе равен нулю.Приложение измеряемого усилия к центральной бобышке диска силовоспринимающего элемента приводит к тому, что усилие,.сжимающее стержнис выступами и .ступеньками, увеличивается, а усилие сжатия стержней с4 в выступами и без ступенек уменьшает= ся на ту же величину. Пока измеряемое усилие Р не превышает усилия предварительного нагружения Рп, 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 выстчпами и без ступенек, При этом соответствующая часть усилия добавляется к нагрузке стержней,с выступами и ступеньками, так как об55 щее усилие предварительного нагружения Р остается. неизменным - упругий элемент неподвижен, его деформация не изменяется. 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 группобмоток появляется сигнал, пропорциональный приложенному измеряемомуусилию РРавенство нулю выходного сигнала при отсутствии измеряемого усилия (Р = 0) обеспечивает практическиполное исключение аддитивной составляющей температурной погрешности.Идентичность магнитных контуров обеспечивает идентичность зависимостивыходного напряжения на каждой извторичных обмоток (подразумеваетсяравенство числа витков) от иэмеряемого усилия, что является непременным условием обеспечения высокойлинейности суммарной выходной характеристики,На Фиг, 1-3 показана конструкцияустройства в конкретном варианте,когда число стержней преобразователя равно 3, а выступы расположенынад каждым вторым стержнем, выступы со ступенькой - над каждым четвертым, где на фиг. 1 показан общийвид, на фиг. 2- аксонометрическоеизображение преобразователя, наФиг. 3 - аксонометрическое изображение силовоспринимающего элемента.На фиг. 4-6 показана конструкцияустройства 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.показано схематическое изображение развертки преобразователя при 12 стержнях с выступом над каждым вторым стержнем и ступенькойна 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 преобразователяУстройство представляет собой магнитоупругий преобразователь 1, изготовленный в виде полого цилинд-.7 99887 10 ра с равномерно расположенными поокружностИ стержнями 2 и продоль"ными окнами 3 одинаковой ширины,в которых размещены обмотки 4, Наторце 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 преобразователя1 (дальнего. со стороны действия усилия) опирается на кольцо 9 из немагнитного материала, имеющее повышенную жесткость. 5Между кольцом и днищем 10 корпуса расположен упругий элемент 11(тарельчатая пружина) . В верхней части преобразователя 1, на выступах 7, начиная от их торцевой по верхности, выполнена цилиндричес- кая проточка, соосная с общей. осью преобразователя. Ее диаметрприблизительно равен среднему между внешним и внутренним диаметра- у 5 ми преобразователя (на половину стенки цилиндра). На выступах каждого четвертого стержня проточкавыполнена, 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 Ь сцентральной бобышкой 15, к которойприлагается измеряемое усилие, иштоком 16, достигающим днища корпу-.са. Диск опирается на ступеньки, расположенные над каждым четвертымстержнем.С целью исключения больших погрешностей, которые могут возникнуть,когда измеряемое усилие прикладывается под некоторым небольшим (до 6 )углом, бобышка 15 и конец штока 16закреплены посредством мембран 17и 18, соответственно в крышке 5 и :днище 10 корпуса 6, чем исключает. ся возможность перемещений бобышЯки и штока в плоскостях, перпендикулярных направлению усилия, перекос штока и неравномерность нагрузки на различные стержни преобразователя.Между концом штока и днищем корпу 55 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, принимаяна 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 имимагнитный поток замыкается через1 стержни с выступами, Обмотки, размещенные на стержнях с выступами иФбез 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 предварительногонагружения Рп . Его величина соответствует, например, половине, максимальной рабочей нагрузки, прилагаемой к стержням с выступами 7 путемнажатия на них крышки 5. Приложение к бобышке 15 измеряемого усилияР ведет к его передаче через диск 14на ступеньки 12 каждого четвертогостержня. Таким образом, измеряемоеусилие Р должно быть, примерно, вдва раза меньше усилия предварительного нагружения Рп.При измеряемом, усилии Р=0 магнитные сопротивления всех стержней свыступами, нагруженных равными усилиями предварительного нагружения,равны, Равны магнитные потоки, наводимые обмотками, размещенными настержнях без выступов, равны напряжения, наводимые в обмотках стержнейс выступами и ступеньками , а такжес выступами без ступенек. Разностьэтих напряжений равна 0.При Р ) 0 магнитные сопротивлениястержней, Фмеющих выступы со ступеньками (нагружаемых), растут, а стержней с выступами без ступенек (разгружаемых) уменьшаются. Потоки наводятЭДС в обмотках, размещенных на соответствующих стержнях. Встречноевключение обмоток нагружаемых и разгружаемых стержней обеспечивает взаимное вычитание наводимых напряжений и получение сигнала, Абсолютная величина выходного напряженияпреобразователя 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 е матического контроля массы изделий, автоматического учета грузов, транспортируемых монорельсовыми транспортными системами, ленточными конвейерными и т.п. 15Формула изобретенияСилоизмерительное 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 ю стержни, и силовоспринимающий элемент, о т л и ч а ю щ е е с я тем,П 10что, с целью повышения точностизасчет уменьшения погрешности нели"нейности и аддитивной составляющейтемпературной погрешности, на торце цилиндра со стороны действияусилия над частью стержней выполнено четное количество выступов,контактирующих с крышкой, а на каждом втором выступе выполнена цилиндрическая проточка, образующаяступеньку, контактирующую с силовоспринимающим элементом, причем обмоткивсех стержней без выступов соединеныс источником. питания , обмотки стерж"ней с выступами и ступеньками соединены последовательно в одну группу,обмотки. стержней с выступами и без:ступенек - последовательно в другуюгруппу, а обе группы обмоток междусобой включены встречно.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Авторское свидетельство СССР