Динамометр
Иллюстрации
Реферат
е т а МЬА
Союз Советских
Социалистических
Республик (6! ) Дополнительное к авт. свид-ву(22)Заявлено 08.06.77 (2l)2496517/18-10 (5! )М. КЛ. г
С 01 Ь 1/04
6 01 L 1/12 с присоединением заявки ¹
Государственный номнтет
СССР оо делам кообрвтоннй н открытой (23 ) П риоритетОпубликовано 05.10.79. бюллетень ¹ 37
Дата опубликования описания 15,10.79 (53) УДК 531.781 (088. 8) (72) Автор изобретения
П. П. Сизых (71) Заявитель
Тюменский иидустриальный институт (54) LlHHANOViETP
Изобретение относится к силоизмерительной технике и может быть использовано в качестве силоизмерительного дат чика в электромеханических весах раз личного назначения.
Известны динамометры, содержащие грузоприемную балку с установленным на ней корпусом подшипника. Балка поддерживается в вертикальном направлении двумя магнитоупругими, преобразователя« ми, закрепленными HB опорной плите. Предварительное поджатие преобразователей обеспечивается винтовой пружиной растяжения, соединяющей балку с плитой и установленной вертикально вдоль линии, проходящей через центр подшип15 ника. Балка прикреплена к вертикальным стойкам опорной плиты посредством упругих шарниров, обладающих податли-.востью в вертикальном направлении.
Магнитоупругие преобразователи воспринимают практически полностью вертикальную составляющую силы взаимодействия вала сподшипником,,цри этом
2 каждый преобразователь в процессе нагружения балки испытывает дополнитель ную деформацию сжатия (1)
Точность и чувствительность этого динамометра определяется точностью и чувствительностью магнитоупрут их преобразователей, Линейный диапазон измеряемых сил равен сумме соответствующих диапазонов преобразователей. Динамометр не расширяет рабочий диацаэон преобразования, представляющий собой часть полного диапазона, где относителе 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 за690332
3 висят от положения точки приложения измеряемой силы в балке, Наиболее близким по технической сущности является динвмометр, состоящий иэ двух одинаковых корпусов, вь полненных в виде разрезной скобы, в которой размещены с предварительным поджатием мвгнитоупругие преобразователи трансформаторного типа с двумя взаимно перпендикулярными обмотками.
Корпуса монтируются на опорной плите вдоль ее продольной оси. При этом каждый корпус устанавливается в плите на двух призматических опорах. В верхней части динамометра установлена траверса с двумя призмами на концах. Траверса своими концами свободно опирается
va каждый корпус. Иамеряемое усилие действует на контактный шар трвверсы и через опорные приамы передается на корпуса, при этом каждый преобразователь в процессе цагружения трвверсы испытывает дополнительную деформацию сжатия (2 j, В данном динамометре каждый кор <7с выполняет функцию механического делителя силы в заданном отношении, что позволяет рвстяпуть линейный участок характеристики преобразователя и этим расширить верхний предел измерения B сторону больших значений измеряемой силы, Однако расширения рабочего диапазона преобразования не происходит, поскольку с расширением верхнего предела измерс,-ния соответственно увеличивается и нижний предел. численно равный порогу чувствительнооти. Коррекции аддитивных погрешностей также не происходит.
Цельто изобретения является повы1 шенне "î÷íîñòè измерения путем создания динамометра на базе монолитного бруса, обладающего свойством естественного расширения рабочего диапазона как вверх, так и вниз, не имеющего аддитчвных погрешностей и не чувствительного при этом к возможным перемещениям точки припоя-ения измеряемой силы вдоль продольной оси бруса.
Для этого применен наиболее действештый и поэтому широко используемый на практике метод расширения рабочего диапазона, основанный на дифференциальном включении двух преобрв эоввтелей.
На одном конце бруса опора располо жена со стороны, противоположной направлению действия силы, а на дру5 0
З5
55 гом конце бруса - co стороны действия силы, причем упругое плечо на первом конце бруса, взаимодействующее с силоизмерительным преобразователем и опорой, в также упругое плечо на втором конце бруса, взаимодействующее с силоизмерительным преобразователем, 1 расположены.по отношению к нейтм ральному 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 силы.
Нв фиг. 1 изображен описываемый динамометр с магнитоупругими силоизмерительными. преобразователями, общий вид; на фиг. 2 — линейные характеристики мвгнитоупругих преобразователей сжатия; на фиг. 3 — линейные характеристики преобразователей с различными знаками приращения механической нагрузки; нв фиг, 4 — линейная характеристика динамометрической балки при дифференциальном включении преобразователей с линейными характеристиками; на фиг. 5 - ди1 намометрическвя балка с предваритель но напряженными магнитоупругими преобразователями; HB фиг. 6 — балка, нагруженная измеряемой силой; HB фиг. 7(существенно нелинейные характеристики магнитоуиругих преобразователей сжатия; на фиг. 8 — нелинейные характеристики преобразователей с различными знаками приращения мехатптческой нагрузки; на фиг. 9 — линейная характеристика динамометрв при дифференциальном включении преобразователей с существенно нелинейными характеристиками.
Динамометр содержит монолитный брус i (динамометрическая балка), снабженный в своей средней части силовоопринимаюшим элементом 2, выполненным в виде грузоприемной плошадки (фиг. 1).
Брус опирается своими концами на стойку 3 через призматические опоры 4 и
5. Одна из опор - неподвижная, в другая самоустанавливающаяся, Концы бруса имеют разрезы 6, расположенные вдоль его нейтральной плоскости И направленные от торцовых граней к центру тяжес ти бруса, т.е. к точке С. Каждый разрез яа конце бруса переходит в цилиндрическую полость 7, предназначенную
690332
25 для установки чувствительного элемента.
По всей поверхности торцовой грани бруса выполнена сквозная прорезь 8.
Таким образом, разрез 6, полость
7 и прорезь 8 образуют на каждом
5 конце бруса два упругих плеча 9. Между упругими плечами в каждой полости 7 с предварительным поджатием устанавлт вается чувствительный элемент 10— магнитоупругий преобразователь траноформаторного типа со взаимно перпендикулярными намагничивающей и сигнал ной обмотками. Каждый преобразователь закреплен в соответствующей полости при помощи прижимного устройства, состоящего из накладки 11, шарика 12. и винта 13.
В полости, расположенной на левом конце бруса, установлен магнитоупругий преобразователь положительного приращения механической нагрузки, а в полости, расположенной на правом конце бруса, - магнитоупругий преобразователь отрицательного приращения механической нагрузки.
Упругое плечо 9 на левом конце бруса, взаимодействующее с преобразователем положительного приращения механической нагрузки и опорной призмой 4 зо стойки, расположено по отношению к нейтральной плоскости изогнутого бруса со стороны его растянутых волокон, т.е. со стороны, противоположной направлению действия силы. Другое упруЗ5 гое плечо на левом конце бруса, взаимодействующее только с преобразователем, расположено íà его сжатых волокнах, т.е. со стороны действия силы.
Упругое плечо на правом конце бруса, взаимодействующее через опорную призму 5 со стойкой и с преобразователем отрицательного приращении механической нагрузки, расположено по отношению к нейтральной плоскости изогну 45 того бруса со стороны его сжатых волокон. 11pyroe упругое плечо на правом конце бруса, взаимодействующее только с преобразователем отрицательного приращения механической нагрузки, расположено на его растянутых волокнах.
Измерительные обмотки магнитоупругих преобразователей соединены последовательно и встречно, а намагничивающие обмотки соединены параллельно и питаются переменным током промышленной частоты.
Динамометр работает следующим образом..
Магнитоупругие преобразователи устанавливаются в полостях бруса с предварительным натягом. Натяг создается с помощью нажимного винта 13 за счет упругой деформации плеч 9 бруса.
При этом упругие плечи правой части бруса изогнуты усилием Рп предваритель ного натяга преобразователя 1 П, а упругие плечи левой части — усилием 1 п предварительного натяга преобразователя
2 П (см. фиг. 5).
Абсолютная величина усилия предварительного натяга каждого преобразователя выбирается следующим образом.
Если характеристики преобразователей являются прямолинейными одинаковой крутизны (фиг. 2), то правый преобразователь 1 П зажимается усилием
Р,п с достаточно большим запасом линейности, используемым в дальнейшем при разгрузке преобразователя. Этому усилию соответствует выходное напряжение Ц п измерительной обмотки преобразователя.
Левый преобразователь 2 П зажимается усилием Р П так, чтобы выходные напряжения сигнальных обмоток преобразователей были равны по знаку иабсолютной величине, т.,е. п 02rr, Если характеристики преобразователей криволинейные (фиг. 7), то правый ггреобразователь 1 П зажимается достаточно большим по абсолютной величине усилием Р п, позволяющим в дальнейшем использовать этот преобразователь в режиме разгрузки до точки, соответствующей максимальной его чувствительности.
71евый преобразователь 2 П зажимается усилием Р > так, чтобы чувствительность преобразователя в данной нагрузочной точке была максимальной. Оггтимальным будет вариант, когда прираI Ф щения Ь U, и Ь (/ выходных напряже-. ний при разгрузке соответственно правого и нагрузке левого преобразоват лей одинаковой силой будут равны по величине и противоположны по знаку.
B случае применения нелинейных преобразователей выходные напряжения у и Uqrr . соответствующие уси п лиям предварительного натяга 2,П и Р п, 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, 69Оз 3 П А
= и
Ао - А Д(Д где
"И =eon t
Сб AO
+ p h=canpt найдем первоначальную: деформацию плеч (фиг. 5}. Перемещение точки А приложения силы Р q обусловлено деформацией упругого плеча — жесткость упругого плеча в точке А;
g — длина плеча от заделки до
А точки приложения силы Р 0 — модуль продольной упругости материала бруса;
3 момент инерции поперечного
1S сечения плеча относительно нейтральной оси.
Аналогично определяются первоначальные перемещения точек 6, С» 0 приложения сил Q0 и - 20
Найдем величину 8, характеризующую раскрытие упругих плеч вдоль нагрузочной оси магнитоупругого преобразователя. Лля правой части балки имеем для левой части балкигде И - высота балки.
Измеряемое усилие Р действует на динамометрическую балку череа груаоприемную плошадку 2. При этом на монолитный брус со стороны опорных призм
4 и 5 действуют силы реакции Р и R2, 40
Под действигм этих сил брус испытывает деформацию поперечного изгиба, при этом кривизна упругих плеч, расположенных со стороны растянутых волокон бруса, уменьшается, а кривизна 45 упругих плеч, расположенных со стороны сжатых волокон бруса, увеличивается (см. фиг. 6).
Усилие, воспринимаемое каждый преобразователем. в процессе изгиба мено- 50 литного бруса, зависит от величины деформации того упругого плеча, которое взаимодействует только с преобразователем.
Запишем выражение для определения полного перемешения точки В упругого плеча, расположенного на левом конце бруса со стороны его сжатых волокон.
32 8 адьо (до «А)1 (n ьР)с -p с ° р cZfl 2 8 ДП В Z0 А ргп откуда найдем приращение усилия, сжимающего преобразователь при дейр9с ствии опорной реакции Az
2 7 3
С
А 8 й
Запишем выражение для определения полного перемещения точки С упругого плеча, расположенного на правом конце бруса со стороны его растянутых волокон с со 6, l o)
Р ° ьР C р С
1 р + p, ° p lc ° p с, откуда найдем прирашение усилия, сжимающего преобразователь 1 П при дей ствии опорной реакции R в =-я с э с
C с А
Таким образом, оба магнитоупругих преобразователя при деформации балки под действием измеряемой силы P 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, равно =Р -aa -p - р (з)
1Л > ХП а, пд X = . ° -коэффи > (с ) > . циент силопередачи правого преобрааователя с отрицательным приращением механической нагрузки. (К У К лУ р (8) 9 690332 1О
g и ф - расстояния от точки приложе- зультирую|пее напряжение определяется ния измеряемой силы к балке до ее приз- так матических опор.
Выходное напряжение правого преобразователя 1 П равно (фиг. 3 и 8)
20
2 ЯП Я (6) Õ = П -K
Выходное напряжение левого чреобразователя 2 П равно (фиг. 3 и 8) Результирующее. напряжение двух преобразователей при дифференциальном включе нии и зме рительных обмоток равно
-(v;„- u,) =(П (П) (K1 Ь Ц 5 +
Проанализируем уравнения {1), (2), (3), (5), и (7), Если чувствительность преобразователей одинакова и характеристики их прямолинейны (фиг, 3), то ири О п «Цп е„-е, з„-z,, г,-e< ° a,=z, а= Ъ приращения Ь Р и < механической нагрузки равны и противоположны по знаку дР Р=
Р
Поскольку в этом случае приращения
QU5 н 5Ug, выходных напряжений также равны и противоположны по знаку, то ре25
Из формулы (8) следует, что чувствительность динамол етрической дифференциальной балки в два раза меньше чувствительности преобразователей. Харак.теристика балки с линейныл1и преобрааователями также линейная и выходит из начала координат (фиг« 4).
Применение динамометра расширяет верхний предел измерения преобразователя в четыре раза (y =К 4} при
1 2 этом Нижний предел обусловленный порогом чувствительности, увеличивается только В два раз». Это способствует увеличению полного ди;тааона 0н преобразования В два раза.
Чувствительность динамометра с линейнымп преобразователями не зависит от изменения положения точки приложения измеряемой силы Р к балке, что очеВидно (фиг. 3) .
Если характеристики преобразователей
l П и 2 П криволинейны с одинаковым характером изменения чувствительности, то равные н противоположные по знаку приращения д Р н ДР, механической нагрузки преобразователей вызывают соответствующие приращения ЬУ, и Ь Ug выходных напряжений, которые противоположны ".p знаку, но не равны по величине (фиг. 8). Дифференциальное включение нелинейных преобразователей, работающих на идентичных участках Выходных характеристик, приводит к тому, что псггрешности нелинейности IlpR строгом раВенстве чувствительностей обоих преобразователей взаимно корректируются. Характеристика динамометра с нелинейными преобрааователями линейная, но выходит не. Иа начала ко рдннат, а с некоторым. смещением (ф":.:г, o l
Применен,. . описанного динамометра позволяет создавать достаточно точные, .илоизмерительные и весоизмерительные приборы н не илеет аддитивной составляющей погрешности намерения. Изменения тампаратуры окружающей среды, режима питан:и намагничиваюших обмоток, ослабления В механических контактах устройства предварительного поджатия магнитоупорного преобразователя, старение л атериала и. т.п. не вызывают существен=9.033 2
НОГО )сХОДа НУ11Я СИЛОИЗЛ(ЕРИТЕЛЬНОГО устройства благодаря взаимной коррекции аддитивных погрешностей преобразователей. Это позволяет отказаться от устройства автоматической установки нуля перед измерением в приборах класса 0,5; 1 и грубее.
Данньпl динамол(етр обладает свойством взаимной коррекции погрешностей, обусловленных нелинейностью характери тик преобразователей. Погрешность линейности уменьшается в десять и более раз.
Поскольку динамометрическая балка на двух опорах является статически определимой системой, то возможные в
ПРОЦЕССЕ ЭКС)Л1(Усатсадни ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ТСЧКВ Пр1(ЛО-,,(зс(нс И-jсД.; ос(ЕЛ(О 3 (И11Ы грузопрnемной площадки влияет то1H.KQ на перераспрсд(пение опорных реакций
Р и Д и пе приводит к изменению чув 2 ствите hnoñ 1 п. Зто повышает тОчнОсть измерен". (1 статических и ди11ами (есин сил и снижает требования K конструкции силоперецающего устройства, Фоpìónà изобретеl(иs
011 намометр, содержащий монолитный брус с разрезами на концах, переходящими в полости, в которых с предварительным поджатием установлены силоизмери- тельные преобразователи, включенные и., дифференциальной схеме, например магнитоупругие датчики силы, силовоспринимаюшую часть и опоры, фиксирующие брус на стойке, О т л и ч а ю ш и и с я тем, что, с. целью повышения точности измеренич„на одном конце бруса опора расположена со стороны, противоположной направлению действия силы, а на другом конце бруса — со стороны действия силы, причем упругое плечо на первом конце бруса, взаимодействуюшее с силоизмерительным преобразователем и опорой, а также упругое плечо на втором конце бруса, взаил(одействующее с силоизмерительным преобразователем, расположе-, ны по отношению к нейтральному слою бруса со стороны, противоположной наЛРаВЛЕНИ(О ДойсТВ1И СИЛЫ а- УПРУГОЕ ПЛЕ чо на первом конце бруса, взаимодей20 ствующее с силоизмерительным преобразователем, а также упругое плечо на втором конце бруса, взаимодействующее с опорой и силоизмерительным преобразователем, расположены по отношению
25 . к нейтральному слою бруса со стороны действия силы.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. Патент С1ЦЛ ¹ 3.495.453, кл. 73-141, 1970
2. Авторское свидетельство СССР
1 ("1 393962, кл. Й 01 1-(lt12, 1970, (прототип), 690332
У,П
f А араи перисглиии преобразО6агпеля
2- ууАл Аы жл люсю иреобраза8ап еля
80)
Д Р н0г
aР2
БНИИПИ Заказ 595,2/38
Тираж 1090 Подписное
Филиал ППП Патент, r. Ужгород, уп, Проектвам, 4