Магнитоупругий датчик усилий
Иллюстрации
Реферат
ш 552528
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Союз Советских т.оциапистических
Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 04.09.75 (21) 2169746/10 с присоединением заявки № (23) Приоритет
Опубликовано 30.03.77. Бюллетень № 12
Дата опубликования описания 26.04,77 (51) М. Кл а G 01L 1/12
G 01G 3/02
Государственный комитет
Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 531.781(088.8) (72) Автор изобретения
М. Н. Гуманюк
Институт автоматики (71) Заявитель (54) МАГНИТОУПРУГИЙ ДАТЧИК УСИЛИ
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к функциональным схемам магнитоупругих силоизмерителей, используемых преимущественно в весоизмерительной аппаратуре.
В настоящее время в весоизмерительной аппаратуре применяются магнитоупругие силоизмерители самого различного конструктивного исполнения. Но в любом случае магнитоупругий датчик усилий содержит магнитопровод, имеющий звенья, которые изменяют свои характеристики благодаря магнитоупругому эффекту, а также измерительную и намагничивающую обмотки, причем последняя подключена в цепь источника питания.
Последовательно в цепь измерительной обмотки включен регистрирующий прибор (1).
Однако такие магнитоупругие силоизмерители не обеспечивают высокой точности измерений, что обусловлено нелинейностью выходных характеристик.
В известном силоизмерительном датчике (2) улучшена линейность за счет сужения рабочего диапазона датчика путем предварительного нагружения его на 30 — 50% от всего рабочего диапазона с помощью зажимной скобы. Поскольку в этом случае используется только часть нелинейной характеристики, то относительная величина погрешности от нелинейности падает. Однако из-за сужения рабочего диапазона пропорционально увеличиваются другие составляющие погрешности, например, температурная, связанная с колебаниями параметров источника питания или
5 гистерезисом.
Линейность характеристики существенно повышается и за счет введения в магнитную цепь датчика воздушного зазора определенной величины (3), В этом случае магнитное
10 сопротивление цепи представляет собой сумму нелинейного сопротивления ферромагнитного участка и большого линейного сопротивления воздушного зазора. Однако с улучшением линейности резко снижается чувстви15 тельность и увеличиваются другие составляющие погрешности датчика, Наиболее близким решением к изобретению по достигаемому результату является
20 решение, заключающееся в повышении частоты тока намагничивания и выделении одной из гармонических составляющих сигнала датчика с помощью известных средств (4). При этом некоторого повышения линейности мож25 но достичь только на первой гармонике, которая составляет 60 — 80%, следовательно, чувствительность датчика все же в некоторой мере снижается. Кроме того, применение средств повышения частоты тока и выделеЗО ния одной из гармонических составляющих
552528
10 значительно усложняет весоизмерительную систему и понижает ее надежность.
Таким образом, известные средства линеаризации характеристик неизбежно являются источником дополнительных погрешностей и приводят в отдельных случаях к усложнению весоизмерительной системы и снижению ее надежности.
Цель изобретения — повышение точности измерений за счет улучшения линейности выходных характеристик магнитоупругих датчиков.
Это достигается тем, что в магнитоупругий датчик усилий, содержащий магнитопровод, на котором размещены измерительная обмотка с регистрирующим прибором и намагничивающая обмотка, включенная в цепь питания, введены узел коррекции и дополнительная обмотка, причем узел коррекции включен последовательно с дополнительной обмоткой, расположенной на основном магнитопроводе, и выполнен в виде контактирующего с основным дополнительного магнитопровода с обмотками. При этом возможны два варианта: узел коррекции представляет собой датчик дроссельного типа, а дополнительная обмотка с последовательно подсоединенной обмоткой узла коррекции, включена параллельно намагничивающей обмотке основного датчика в цепь источника питания; узел коррекции выполнен в виде трансформаторного датчика, причем дополнительная обмотка соединена последовательно с вторичной обмоткой узла коррекции, а его первичная обмотка включена параллельно намагничивающей обмотке основного датчика в цепь источника питания.
На фиг. 1 показана общая схема магнитоупругого датчика усилий; на фиг. 2 — магнитоупругий датчик усилий дроссельного типа с узлом коррекции в виде датчика дроссельного типа; на фиг. 3 — магнитоупругий датчик усилий трансформаторного типа с узлом коррекции в виде датчика дроссельного типа; на фиг. 4 — магнитоупругий датчик усилий трансформаторного типа с узлом коррекции в виде трансформаторного датчика; на фиг. 5 — трансформаторный магнитоупругий датчик усилий типа прессдуктор с узлом коррекции в виде датчика типа прессдуктор; на фиг. 6 — кривая зависимости р, = f (Н); на фиг. 7 — диаграмма линеаризации характеристики при строгой пропорциональности корректирующего тока измеряемому усилию; на фиг. 8 — диаграмма линеаризации характеристики при нелинейной зависимости корректирующего тока от усилия.
Магнитоупругий датчик усилий (см. фиг. 1) содержит магнитопровод 1, имеющий звенья, которые изменяют свои характеристики благодаря магнитоупругому эффекту, а также измерительную 2 и намагничивающую 3 обмотки, причем последняя включена в цепь источника 4 питания. Последовательно в
G5 цепь обмотки 2 включен регистрирующий прибор 5.
Магнитоупругий датчик дроссельного типа (фиг. 2) содержит основной магнитопровод 1, на котором расположена обмотка 2, совмещающая функции измерительной 2 и намагничивающей 3 (см. фиг. 1) обмоток. Обмотка 2 включена в цепь источника 4 питания.
В цепь обмотки 2 последовательно подключен регистрирующий прибор 5. Кроме того, на магнитопроводе 1 размещены дополнительная обмотка 6, в цепь которой последовательно включен узел 7 в виде дроссельного датчика, корректирующий величину тока в дополнительной обмотке 6 в соответствии с приращением общей проводимости датчика на единицу усилия P.
Дополнительный магнитопровод 8 узла коррекции 7 контактирует с магнитопроводом
1 и через него также воспринимает прикладываемое усилие P. Обмотка 9 узла коррекции соединена последовательно с дополнительной обмоткой 6 и включена параллельно обмотке 2 в цепь источника 4 питания.
В большинстве случаев магнитоупругие силоизмерители работают при магнитных напряженностях H в материале магнитопровода, отличающихся от значений, соответствующих максимуму магнитной проницаемости, т. е. на участке а — а" или, преимущественно, на участке с — с" кривой V =f(H) (фиг. 6).
На этих участках изменение магнитной напряженности H в материале магнитопровода
1 приводит к существенному изменению его магнитной проницаемости, а следовательно, и проводимости Y датчика. На участке а — а" увеличение напряженности Н вызывает уменьшение проводимости У, а на участке с — с" — увеличение проводимости Y магнитопровода 1.
Нелинейность характеристики датчика отражает непостоянство приращения его проводимости Y на единицу усилия P по мере увеличения его воздействия на магнитопровод 1. Для обеспечения линейности характеристики необходимо дополнительное приращение проводимости У на единицу усилия P.
С этой целью используется дополнительная обмотка 6, в цепь которой включен узел 7 коррекции, в данном случае дроссельный датчик.
На фиг. 7 приведены характеристики датчика, полученные при различных величинах тока i в дополнительной обмотке 6 при нагружении датчика усилием P (участок с — с" кривой ц=f(H), обмотки 2 и 6 включены встречно). Кривые 1 — Х (см. фиг. 8) получены путем ступенчатого увеличения тока в дополнительной обмотке 6 с сохранением его неизменного значения во всем диапазоне усилий P. Кривую 10, соответствующую линеаризованной характеристике, получают за счет последовательного увеличения тока в дополнительной обмотке по мере роста усилия, воздействующего на датчик.
552528
Процесс линеаризации происходит следующим образом.
При воздействии усилия P на магнитопроводы 1, 8 проводимость датчика возрастает.
Величина тока, проходящего через обмотку 9 узла 7 коррекции и затем через дополнительную обмотку 6, также растет. Увеличение тока в дополнительной обмотке на единицу приложенного усилия P влечет за собой некоторое уменьшение проводимости У датчика. Это приращение складывается с приращением проводимости У, вызванным воздействием усилия P. Уменьшение проводимости
У, вызванное узлом коррекции, оказывается больше, при малых усилиях и по мере роста усилия воздействия узла 7 убывает. В результате обеспечивается постоянство приращения проводимости датчика во всем диапазоне контролируемых усилий, т. е. получаем линеаризованнуIO характеристику (фиг. 8, кривая 10). При работе датчика на участке а — а" кривой p=f(Н) (фиг. 6) процесс аналогичен, но для соответствия знаков приращений дополнительная обмотка 6 должна создавать магнитный поток, направленный согласно с основным, т. е. ее нужно включить в противофазу по сравнению с описанным вариантом.
Магнитоупругий датчик усилий трансформаторного типа (фиг. 3) содержит основной магнитопровод 1, измерительную 2, намагничивающую 3 обмотки. Намагничивающая обмотка 3 включена в цепь источника 4 питания а измерительная 2 последовательно сое1 динена с регистрирующим приоором 5, с которого снимают сигнал, соответствующий измеряемому усилию. На магнитопроводе 1 расположена дополнительная обмотка 6, в цепь которой последовательно включен узел
7 в виде дроссельного датчика, корректирующий величину тока в дополнительной обмотке 6 в соответствии с прирягцением его проводимости на единицу усилия.
Принцип линеаризации характеристик магнитоупругого датчика усилий трансформатопного типа аналогичен описанному для устройства на фиг. 2.
Трансформаторный дятчпк усилий (фиг.4) содержит элементы 1 — 9, указанные на фиг.
2, 3. В качестве узла 7 коррекции в данном устройстве использован трансформаторный датчик, вторичная обмотка 9 которого соединена последовательно с дополнительной обмоткой б, включенной согласно или встречно с основной намагничиваюшей обмоткой 3, а первичная обмотка 11 включена в цепь источника 4 питания параллельно намагничивающей обмотке 3.
При работе датчика с трансформаторным орректирующим датчиком действует тот же принцип коррекпии величины тока в дополнительной обмотке б. В данном случае при оздействии усилия на мягнитопроводы 1, 8 магнитная проницаемость датчика уменьшается, вследствие чего понижается и напря1О
5О
65 жение, наводимое на вторичной обмотке 9 датчика. При этом уменьшается ток i в дополнительной обмотке 6, что приводит к соответствующему изменению напряжения на измерительной обмотке 2.
Трансформаторный датчик типа прессдуктор (фиг. 5) содержит магнитопровод 1, уложенные в сквозных пазах магнитопровода 1 измерительную 2 (I — I ) и намагничивающую
3 (П вЂ” IИ обмотки. Намагничивающая обмотка 3 (I! — II) включена в цепь источника
4 питания, а измерительная обмотка 2 (I — !) соединена с регистрирующим прибором 5.
Совместно с основной намагничивающей обмоткой 3 уложена дополнительная обмотка 6.
Дополнительная обмотка 6, включенная встречно или согласно с обмоткой 3. соединена последовательно с вторичной обмоткой
9 (П вЂ” II) узла 7 коррекции, выполненного в виде трансформаторного датчика типа прессдуктор, содепжащего дополнительный магнитопровод 8, контактно .ющий с основным магнитопооводом 1. Первича я обмотка 11 (! — I) корректирующего датчика включена в цепь источника 4 питания параллельно с намагничиваюшей обмоткой 3.
Принцип линеаризации характеристик магнитоупру гого датчика прессдукторного типа аналогичен описанному для устройства на фиг. 4.
Таким образом выполнение магнитоупругих силоизмерителей с узлом коррекции позволило повысить точность магнитоупругих датчиков -,à счет снижения погрешности от нелинейности харя ктеристик датчиков, без повышения остальных составляющих погрешности: температурной, гистерезиса и т. д.
Формула изобретения
1. Магнитоупругий датчик усилий, содержащий магнитопровод с размещенными на нем измерительной обмоткой, подключенной к пегистрирующему прибор и намагничивающей обмоткой, включенной в цепь питания, отличающийся тем. что, с пелью повышения точности датчика путем улучшения линейности е о выходных характеристик, в него введены дополнительная обмотка и узел коррекции, выполненный в виде контактирующего с основным дополнительного магнитопровода с об лотками и включенный последовательно в цепь дополнительной обмотки, а последняя расположена на основном магнитопроводе.
2. Датчик по п. 1, отл ич а ю щи и с я тем, что узел коррекции выполнен в виде датчика дроссельного типа, а дополнительная обмотка с последовательно подсоединенной обмоткой узла коррекции включена параллельно нямагничиваюшей обмотке основного датчи«а в цепь источника питания.
3. Датчик по и. 1, отл ич а ю щи йс я тем, что узел коррекции выполнен в виде трансформаторного датчика, причем дополнительная обмотка соединена последовательно с
552528
7 вторичной обмоткой узла коррекции, а его первичная обмотка включена параллельно намагничивающей обмотке основного датчика в цепь источника питания.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:
1. Авт. св. № 98177, кл. G 01L 1/12, 1951.
2. Авт. св. № 324520, кл. G 01L 1/12, 1969.
3. Гинзбург В. Б. Магнитоупругие датчики.
Библиотека по автоматике, вып. 412, М,, Энергия, 1970.
4. Шишкинский В. И., Крашенникова А. Л.
5 Основные характеристики монолитных магнитоанизотропных датчиков. «Приборы и системы управления», № 1, 1969, с. 39 (прототип) .
552528 ос
Ю,2
Составитель В. Зыль
Техред А. Камышникова
Корректор Л. Котова
Редактор И. Грузова
Типография, пр. Сапунова, 2
Заказ 682/15 Изд. № 311 Тираж 1054 Подписное
ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5