Динамометр

е с а МЬА Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик К А ополннте авт. свид-ву (22496-10 присоедннениеке заявки М 23) П риоритетОпубликовано 05. 10 ооударстоонный нСССРоо делам хооорвтн открытей(72) Автор изобретения Сизь Тюменский инду альный институт ая интел(54) ДИН Т Изобретение относится к силоизмерительной технике и может быть использовано в качестве силоизмерительного датчика в электромеханических весах раз личного назначения,Известны динамометры, содержащиегрузоприемную балку с установленнымна ней корпусом подшипника. Балка поддерживается в вертикальном направлениидвумя магнитоупругими, преобразователями, закрепленными на опорной плите,Предварительное поджатие преобразователей обеспечивается винтовой пружинойрастяжения, соединяющей балку с плитой и установленной вертикально вдольлинии, проходящей через центр подшипника, Балка прикреплена к вертикальным стойкам опорной плиты посредствомупругих шарниров, обладающих податли-.востью в вертикальном направлении.20Магнитоупругие преобразователи воспринимают практически полностью вертикальную составляющую силы взаимодей:ствия вала с подшипником,ри этом каждый преобразователь в процессе нагружения балки испытывает дополнитедь ную деформацию сжатия (1Точность и чувствительность этого динамометра определяется точностью и чувствительностью магнитоупрутих преобразователей, Линейный диапазон измеряемых сил равен сумме соответствующих диапазонов преобразователей, Динамометр не расширяет рабочий дианаэон преобразования, представляющий собой часть полного диапазона, где относитель. ная погрешность линейности магнитоупругого преобразователя не превосходит некоторой заданной величины,Кроме того, этот динамометр не обеспечивает кОррекции аддитивных погрешностей, обусловленных изменением питания магнитоупругих преобраэовате лей, колебаниями температуры окружающей среды и, т.д, Достоинством устройства является то, что при идентичных линейных характеристиках магнитоупру гих преобразователей показания не за69 О 332 45 3висят от положения точки приложенияизмеряемой силы в балке,Наиболее близким по технической сущности является динамометр, состоящий иэ йвух одинаковых корпусов, вьмполненных в виде разрезной скобы, вкоторой размещены с предварительнымподжатием магнитоупругие преобразователи трансформаторного типа с двумявзаимно перпендикулярными обмотками.Корпуса монтируются на опорной плитевдоль ее продольной оси. При атом каждый корпус устанавливается в плите надвух призматических опорах, В верхнейчасти динамометра установлена траверса с двумя призмами на концах, Траверса своими концами свободно опираетсяца каждый корпус, Измеряемое усилиедействует ца контактный шар траверсыи через опорные приамы передается накорпуса, при этом каждый преобразователь в процессе цагруженця траверсыиспытывает дополнительнуюдеформациюсжатия 2 ,В данном динамометре каждый корпус выполняет функцию механического .делителя сиды в заданном отношении,что позволяет растянуть линейный участок хардктористики преобразователя иэтим рас 1 цирить верхний предел измерения в сторону больших значений измеряемой силы, Однако расширения рабочего диапазона преобразования непроисходит, поскольку с расширениемверхнего предела цзмерс,ния соответственно увеличивается и нижний предел.численно равный порогу чувствительнооти, Коррекции аддитивных погрешностейтакже це происходит.Целью изобретения является повышение точности измерения путем создания динамометра иа оазе монолитногобруса, обладающего свойством естественного расширения рабочего диапазонакак вверх, так и вниз, це имеющегоаддитивных погрешностей и не чувствительного при этом к возможным перемещениям точки приложения измеряемой силы вдоль продольной оси бруса.Для этого применен наиболее денствепный и поэтому широко используемый на практике метод расширения рабочего диапазона, основанный на дифференциальном включении двух преобраэователей,На одном конце бруса опора расположена со стороны, противоположной направлению действия силы , а на дру 5 10 15 20 25 Зо З 5 40 50 55 гом конце бруса - со стороны действия силы, причем упругое плечо на первом конце бруса, взаимодействующее с силоизмерительным преобразователем и опорой, а также упругое плечо на втсьром конце бруса, взаимодействующее с силоизмерительным преобразователем, расположены .по отношению к цейтцеральному слою бруса со стороны, противоположной направлению действия силы, а упругое плечо на первом конце бруса, взаимодействующее с силоизмерительным преобразователем, а также упругое плечо на втором конце бруса, взаимодействующее с опорой и силоизмерительным преобразователем, расположены по отношению к нейтральному слою бруса со стороны действия сиды.На фиг. 1 изображен описываемый динамометр с магнитоупругими силоизмерительными. преобразователями, общий вид; на фиг, 2 - линейные характеристики магнитоупругих преобразователей сжатия; на фиг, 3 - линейные характеристики преобразователей с различными знаками приращения механической нагрузки; ца фиг, 4 - линейная характеристика динамометрической балки при дифференциаль ном включении преобоазователей с линейными характеристиками; на фиг. 5 - динамометрическая балка с предваритель- но напряженными магнитоупругими преобразователямн; на фиг, 6 - балка, нагруженная измеряемой силой; на фиг. 7- (существенно нелинейные характеристики магнитоуиругих преобразователей сжатия; на фиг, 8 - нелинейные характеристики преобразователей с различными знаками приращения механической нагрузки; на фиг. 9 - линейная характеристика динамометра при дифференциальном включении преобразователей с существенно нелинейными характеристиками.Динамометр содержит монолитный брус 1 (динамометрическая балка), снабженный в своей средней части силовоопринимающим элементом 2, выполненным в виде грузоприемной площадки (фиг, 1). Брус опирается своими концами на стойку 3 через призматические опоры 4 и 5, Одна из опор - неподвижная, а другая самоустанавливаюшаяся, Концы бруса имеют разрезы 6, расположенные вдоль его нейтральной плоскости И направленные от торцовых граней к центрутяжео ти бруса, т,е, к точке С, Каждый разрез на конце бруса переходит в цилиндрическую полость 7, предназначенную25 для установки чувствительного элемента.По всей поверхности торцовой грани бруса выполнена сквозная прорезь 8,Таким образом, разрез 6, полость7 и прорезь 8 образуют на каждом5конце бруса два упругих плеча 9, Междуупругими плечами в каждой полости 7с предварительным поджатием устанавлвается чувствительный элемент 10 -магнитоупругий преобразователь трано- , 1 Оформаторного типа со взаимно перпендикулярными намагничивающей и сигнальной обмотками. Каждый преобразовательзакреплен в соответствующей полостипри помощи прижимного устройства, состоящего из накладки 11, шарика 12,и винта 13,В полости, расположенной на левомконце бруса, установлен мвгнитоупругийпреобразователь положительного приращения механической нагрузки, а в полости, расположенной на правом концебруса, - магнитоупругий преобрвэоввтель отрицательного приращения механической нагрузки,Упругое плечо 9 на левом концебруса, взаимодействующее с преобразователем положительного приращения механической нагрузки и опорной призмой 4зостойки, расположено по отношению кнейтральной плоскости изогнутого бруса со стороны его растянутых волокон,т,е, со стороны, противоположной направлению действия силы. Другое упруЗ 5гое плечо нв левом конце бруса, взаимодействующее только с преобразователем,расположено на его сжатых волокнах,т.е. со стороны действия силы,Упругое плечо на правом конце бру Оса, взаимодействующее через опорнуюпризму 5 со стойкой и с преобразователем отрицательного приращении механической нагрузки, расположено по отношению к нейтральной плоскости изогнутого бруса со стороны его сжатых волокон, Другое упругое плечо на правомконце бруса, взаимодействующее толькос преобразователем отрицательного приращения механической нагрузки, расположено на его растянутых волокнах.Измерительные обмотки магнитоупругих преобразователей соединены последовательно и встречно, в намагничиваю 1 пие обмотки соединены параллельно ипитаются переменным током промышленной частоты.Динамометр работает следующимобразом Магнитоупругие преобразователи устанавливаются в полостях бруса с предварительным натягом, Натяг создается с помощью нажимного винта 13 аа счет упругой деформации плеч 9 бруса. При этом упругие плечи правой частибруса изогнуты усилием Рп предварительного натяга преобрваователя 1 П, а упругие плечи левой части - усилием п предварительного натяга преобразователя 2 П (см. фиг. 5).Абсолютная величина усилия предварительного натяга каждого преобразователя выбирается следуюшим образом.Если характеристики преобразователей являются прямолинейными одинаковой крутизны фиг. 2), то правый преобразователь 1 П зажимвется усилием Рп с достаточно большим запасом линейности используемым в дальнейшем при разгрузке преобрааователя. Этому усилию соответствует выходное напряжение Цп измерительной обмотки преобразователя,Левый преобразователь 2 П зажима- ется усилием Рп так, чтобы выходные напряжения сигнальных обмоток преобразователей были равны по знаку ивбсолютной величине, т.,е. п гпЕсли характеристики преобразователей криволинейные фиг. 7), то правый преобразователь 1 П зажимается достаточно большим по абсолютной величине усилием Рп, позволяющим в дальнейшем использовать этот преобразователь в режиме разгрузки до точки, соответствующей максимальной его чувствительности.Уевый преобразователь 2 П зажима- ется усилием Рп твк, чтобы чувствительность преобразователя в данной нагрузочной точке была максимальной. Оптимальным будет вариант, когда приращения ЬЦ и Ь(12 выходных напряжений при разгрузке соответственно правого и нагруаке левого преобразоват лей одинаковой силой будут равны по величине и противоположны по знаку.В случае применения нелинейных преобразователей выходные напряжения у и Уп, соответствующиеусиплиям предварительного натяга Р,П и Рп, будут различными по абсолютной велич и не.Рассматривая каждое упругое плечо как прямую пружину, защемленную одним концом и нагруженную усилием предварительного поджатия ца другом конце,- жесткость упругого плечав точке А;3 - длина плеча от заделки доАточки приложения силы Р П- модуль продольной упругости материала бруса;2 А - момент инерции поперечного15сечения плеча относительно нейтральной оси.Аналогично определяются первоначальные перемещения точек 6, С и 1) приложения сил а и Рп.Зо где 10 69 Ознайдем первоначальную: деформацию плеч (фиг. 5). Перемещение точки А приложения силы Рп обусловлено деформацией упругого плеча(ьо ("до а)или )Р фР ) С = Р С ф Р С- ЛПВ ЛП В гО АгПАоткуда найдем приращение усилия, сжимающего преобразователь спри дейр 6(ствии опорной реакции Й 2 Запишем выражение для определения полного перемещения точки С упругого плеча, расположенного на правом конце бруса со стороны его растянутых воло- конНайдем величину 5, характеризуюшую раскрытие упругих плеч вдоль нак грузочной оси магнитоупругого преобразователя. Для правой части балки имеем"И =см 1Сб доЗодля левой части балкигде И - высота балки.35Измеряемое усилие Р действует надинамометрическую балку череа груаоприемную плошадку 2. При этом на монолитный брус со стороны опорных призм1 и 5 действуют силы реакции Р и Р 40Под действигм этих сил брус испытывает деформацию поперечного изгиба,при этом кривизна упругих плеч, расположенных со стороны растянутых волокон бруса, уменьшается, а кривизна 45упругих плеч, расположенных со стороны сжатых волокон бруса, увеличивается (см, фиг. 6),Усилие, воспринимаемое каждый преобразователем. в процессе изгиба монолитного бруса, зависит от величины деФормации того упругого плеча, котороевзаимодействует только с преобразователем,Запишем выражение для определенияполного перемещения точки В упругогоплеча, расположенного на левом концебруса со стороны его сжатых волокон.откуда найдем приращение усилия, сжимаюшего преобразователь 1 П при действии опорной реакции Й 1 ДР:-Р = - й,с( (Х где -коэффи.с ),циент силопередачи правого преобрааователа с отрицательным приращением механической нагрузки; с,) Таким образом, оба магнитоупругих преобразователя при деформации балки под действием измеряемой силы Р нагружены сжимающим усилием, однако, знак приращения механической нагрузки, а следовательно, и выходного напряжения у них оказывается различным (фиг,6).Под действием измеряемой силы преобразователь 1 П, установленный на правом конце бруса, несколько раагружается. При этом усилие, сжимающее сердечник преобразователя, равно9 690332 1 ОД и ф - расстояния от точки приложе- зультируюцеее напряжение определяется ния измеряемой силы к балке до ее приз- такматических опор,Выходное напряжение правого преобразователя 1 П равно (фиг. 3 и 8)5 У Е ЕУ ,У(8) Иа формулы (8) следует, что чувствительность деенамолеетрической дифференциальной балки.в два разаменьше чувствцтельности преобразователей. ХаракЕо Под действием измеряемой силы преобразователь 2 П, установленный на левомконце бруса, несколько догружается, приэтом усилие, сжимающее сердечник преобразователя,равно я гп Р 2 =Ргп фг .(5) Бга --- , -- - оф) 20 фициент передачи левого преобрааователя с положительным приращением механической нагруаки,Выходное напряжение левого чреобразователя 2 П равно (фиг. 3 и 8) 2 яп е дЕ(6) Результирующее; напряжение двух преобразователей при дифференпиальном включении измерительных обмоток равно(5), и (7),Если чувствительность преобразователей одинакова и характеристики ихпрямолинейны (фиг, 3), то щри Оп ЦпА ЬИ 4 фЪ) с- Ф. " с=4)приращения Ь Р и 6 5 механическойнагрузки равны и противоположны познаку Р ч ьР -КР= --25 30 35 40 45 50 теристика балкее с линейныл 1 и преобрааователями также линейная и выходит изначала координат (фиг 4).Применение динамометра расширяетверхний предел измерения преобразователя в четыре раза ( =К 4), при1 2этом чижний предел обусловленный порогом чувствительности, увеличиваетсятолько в два раз, Это способствует увеличению полного дее;1 пазона 0 п преобразования в два раза.)увствцтельность динямометра с линейцымп преобрааователямее це зависитот изменения положения точки приложения измеряемой силы Р к балке, что очевидно (фиг. 3).Если хдрактереестцки еереображюателей1 П ц 2 П криволинейцы с Одинаковымхарактером изменения чувствительности,то равные ц противоположные по знакуприращения ) Р и ЬР, механической нагрузки преобразователей вызывают соответствующие прцрашенця ЬУ, ц Ь(2 выходных напряжений, которые противоположны го знаку но не равны по величине(феег. 8), Дифференциальное включениенелинейных преобразователей, работающих ееа идее 1 тичных участках Выходееыххарактеристик, приводит к тому, что псггрещности нелинейности прн строгом равенстве чувствеетельностей обоих преобразователей взацмно корректируются, Характеристика дицамометра с нелинейнымипреобрааователями линейная, но выходитне. Нз начала координат, а с некоторым .смещением (фцг,О 1Прпменееп Опцсанного динамометрапозволяет соз:звать достаточно точные,,илоизмерцтельные ц весоизмерительныеприборы н не цмеет аддитцвной составляющей погрешности измерения. Изменениятампературье окружающей среды, режима пи ьР К Р=ф -РПоскольку в этом случае приращенияд) 01 ц ЬКу, выходных напряжений такжепавны и противоположны по знаку, то ретан:ея цамагничиваюших обмоток, ослабления и мехаццческцх контактах устройства предварительного поджатия магнитоупорцого преобразователя, старение материала и.т,п, це вызывают существен69 С 1332 НОГО ухода ну 11 я силоизмерительнОГОустройства благодаря взаимной коррекции аддитивных погрешностей преобразователей, Это позволяет отказаться отустройства автоматической установкинуля перед измерением в приборах класса 0,5; 1 и грубее.Йанный 1 динамол 1 етр обладает свойством взаимной коррекции погрешностей,обусловленных нелинейностью характеристик преобразователей. Погрешность линейности уменьшается в десять и болеераз.Поскольку динамометрическая балкана двух опорах является статически определимой системой, то возможные впроцессе экс 1 лп с атацни перемещеппк точ щки прцложечцн измеояел 1 ой силы Р в 11 ол 1.грузопрцемной площадки влияет толькона перераснрсдепение опорных реакцийЯ и Д н не приводит к изменению чувСТВЦТЕЛЬНОСТН 1, ЗТО ПОВЫШаЕТ ТОЧНОСТЬизмерения с ратических и динами 1 еск 1 жсил и снижав 1 требования к кОнстр%циисилоперецаюн 1 его устройства,Формула изобретения Ли намометр,:одержащцй монолитный брус с разрезами на концах, переходящими в полости, в которых с предварительным поджатием установлены силоизмери- тельные преобразователи, включенные по дифференциальной схеме, например магнцтоупругие датчики силы, силовоспринимающую часть и опоры, фиксирующие брусна стойке, О т л и ч а ю щ и й с ятем, что, целью повышения точностиизмеренична одном конце бруса опорарасположена со стороны, противоположнойнаправлению действия силы, а на другомконце бруса - со стороны действия силы,10 причем упругое плечо на первом концебруса, взаимодействующее с силоизмерительным преобразователем и опорой, атакже упругое плечо на втором концебруса, взаил 1 одействующее с силоизмерительным преобразователем, расположе-,ны по отношению к нейтральному слоюбруса со стороны, противоположной направле":пно действия силы а- упругое плечо на первом конце бруса, взаимодей 20ствующее с силоизмерительным преобразователем, а также упругое плечо на втором конце бруса, взаимодействующее сопорой и силоизмерительным преобразователем, расположены по Отношению25. к нейтральному слою бруса со стороныдействия силы,Источники информации, принятые вовнимание при экспертизе301. Патент С 1 ЦЛ3.495.453кл. 73-141, 19702. Авторское свидетельство СССР393962, кл. Й О 1112, 1970,1 прототип),690332 Риг. У где Фюцыл ППП фПатег. Ужгород, уй, Прое ИИПИ Закакраж 1090 Ог 2 95,2/38 дписное