SU690332A1 - Динамометр - Google Patents

Description

(54) ДИНАМОМЕТР

Изобретение относитс  к силойзмеритепьной технике и может быть использовано в качестве силонзмеритепьного цатч чика в электромеханических весах раэличного назначени . Известны динамометры, содержащие грузопрнемную балку с установленным на ней корпусом подшипника. Балка подд живаетс  в вертикальном направле йгин двум  магнитоупругими, преобразовател  ми, закрепленным на опорной плите. Предварительное поджатие преобразова- телей обеспечиваетс  винтовой пружиной раст жени  соедин ющей балку с плитой и установленной вертикально вдоль линий, проход1пцей через центр подшипника . Балка прикреплена к вертикальным стойкам опорной шшты посредством упругих шарниров, обладающих податливостью в вертикальном направлении, Магнитоупругие преобразователи воспринимают практически полностью вертикальную составл ющую силы взаимодей- чгтви  вала с подшипником, при этом каждый преобразователь в процессе нагружени  балки испытывает дополнительную деформацию сжати  1 . : Точность и чуъствительность этого динамометра определ етс  точностью н чувствительностью магнитоупругих преобразователей . Линейный диапазон измер емых сил равен сумме соответствзпоших диапазонов преобразователей. Динамометр не расшир ет рабочий цнапазсш преобразовани , представл ющий собой часть полного диапазона, где относительна  погрешность линейности магнитоупругого преобразовател  не превосходит некоторой заданной величины. Кроме того, этот динамометр не обеспечивает кйррекции аддитивных погрешностей , обусловленных изменением питани  магнитоупругих Преобразователей , колебани ми температуры окружающей среды и. т.д. Достоинством устройства  вл етс  то, что при идентичных линейных характеристиках магнитоупру гих преобразователей показани  не завис т от положени  точки приложени  измер емой силы в балке.

Наиболее близким по технической сущности  вл етс  динамометр, состо щйй из двух одинаковых корпусов, выполненных в виде разрезной скобы, в которой размешены с предварительным поджатием магнитоупругие преобразователи трансформаторного типа с двум  взаимно перпендикул рными обмотками. Корпуса монтируютс  на опорной плите вдоль ее продольной оси. При этом каждый корпус устанавливаетс  в плите на двух призматических опорах. В верхней части динамометра установлена травер са с двум  призмами на концах. Траверса своими концами свободно опираетс  на ка одый корпус. Измер емое усилие действует на контактный, шар траверсы и через опорные призМ1 г передаетс  на корпуса, при этом каждый преобразователь в процессе нагружени  траверсы испытывает дополнительную деформацию сжати  .,

В данном динамометре каждый корпус выполн ет функцию механического делител  силы в заданном отношении, что позвол ет раст нуть линейный учаотоК характеристики преобразовател  и этим раситарить верхний предел измерени  в сторону больших значений иэмер емой силы. Однако расшире га  рабочего диапазона преобразовани  не происходит, посколысу с расширением верхнего предела измерени  соответственно увеличиваетс  и нижний предед. численно равный порогу чувствитедьнооти . Коррекции аддитивных погрешностей также не происходит.

Целью пзобретени  . вл етс  повььшение точностиизмерени  путем создани  динамометра на базе монолитного бруса, обладающего свойством ейтест венного расширени  рабочего диапазона как вверх, так и вниз, не имеющего аддитивных погрешностей и не чувствительного при этом к возможным пере- метцениам точки приложени  измер емой силы вдоль продольной оси бруса. Дл  этого тфименен наиболее дей- стве1шый и поэтому широко используемый на практике метод расширени  рабочего диапазона, основанный на дифференциальном включе1ши двух преобре зователей. .

На одном конце бруса опора распол жена со Стороны противоположной н&правлению действи  силы ., а на друг.

гом конце бруса - со стороны .действи  силы, причем упругое плечо на первом конце бруса, взаимодействующее с си- оизмерительным преобразователем и порой, а также упругое плечо на втоом конце бруса, взаимодействуютцее с илоизмерительным преобразователем, расположены по отношению к нейт альному слою бруса со стороны, противоположной направлению действи  сипы, а упругое плечо на первом конце бруса, взаимодействующее с силоизмерительным реобразователем, а также упругое пл&о на втфом конце бруса, взаимодействующее с опорой и силоизмерительным реобразователем, расположены по отношению к нейтральному слою бруса со стороны действи  силы.- .

На фиг, 1 изображен описьтаемый динамометр с магнитоупругими силоизмери- тельными, преобразовател ми, общий вид; на фиг. 2 - линейные характеристики мйгнитоупругих преобразователей сжати ; на фиг. 3 - линейные характеристики преобразователей с различйыми знаками приращени  механической нагрузки; на фиг. 4 - линейна  характеристика динамометрической балки при дифференциальном включении преобразователей с линейными характеристиками; на фиг. 5 - динамометрическа  балка с прёдварител1 но напр женными магнитоупругими пр&образовател мй; на фиг. 6 - балка. На- . груженна  измер емой силой; на фиг. 7 (существенно нелинейные характеристики, магнитоупругих преобразова елей сжати ; на фиг. 8 - нелинейные характеристики преобразова:телей с различными знаками приращени  меха1П1ческой нагрузки; на фиг. 9 - линейнай Характеристика динамометра при дифференциальном включении преобразователей с существенно нелинейными характеристиками;

Динамометр содержит монолитный брус 1 (динамометрическа  балка), сна&женный в своей средней части силовоопринимающим элементом 2, выполненным в виде грузоприемной площадки (фиг. 1). Брус о ираетс  своими концами на стойку 3 через призматические опоры 4 и 5. Одна из опор - неподвижна , адруга  самоустанавпивающа с . Концы бруса имеют разрезы 6, расположенные вдоль его нейтральной плоскостии направленные от торцовых граней к пентрут жео ти бруса, т.е. к точке С. Каждый раэрез на конце бруса переходит в цилиндрическую полость 7, предназначенную

дл  установки чувствительного элемента По всей поверхности торцовой грани бруса выполнена сквозна  прорезь 8,

Таким образом, разрез 6, полость 7 и прорезь 8 образуют на каждом конце бруса пва упругих плеча 9. Между упругими плечами в каждой полости 7 с гфедварительным попжатием устанавливаетс  чувствительный элемент 10 - магнитоупругий преобразователь траноформаторного типа со взаимно перпендикул рными намагничивающей и сигналитной обмотками. Каждый преобразователь закреплен в соответств5гю1цей полости при поможи прижимного устройства, состо щего из накладки 11, шарика 12. и винта 13.

В полости, расположенной на левом конце бруса, установлен магнитоупругий преобразователь положительного приращени  мёханическсй нагрузки, а в полости , расположенной на правом конце бруса, - магнитоупрутий преобразователь отрицательного приращени  ме.ханической нагрузки.

Упругое плечо 9 на левом конце бруса, взаимодействующее с преобразователем положительного приращени  механической нагрузки и опорной призмой 4 стойки, расположено по отношению к нейтральной плоскости изогнутого бруса со стороны его раст нутых волокон, т.е. со стороны, противоположной направлению действи  силы. Другое упругое плечо на левом ковде бруса, взаимодействующее только с преобразователем, расположено на его сжатых волокнах, т.е. со стороны действи  силы.

Упругое плечо на правом конце бру са, взаимодействующее через Опорную призму 5 со стойкой и с преобразователем отрицательного приращени  мех&нической нагрузки, расположено по отношению к нейтральной плоскости изогнутого бруса со стороны его сжатых волокон . Другое упругое плечо на правом конце бруса, взаимодействующее только с преобразователем отрицательного приращени  механической нагрузки, расположено на его раст нутых волокнах.

Измерительные обмотки магнитоупру- гих преобразователей соединены последовательно и встречно, а намагничивак щие обмотки соединены параллельно и питаютс  переменным током промыщлевк

нсА частоты.

Динамометр работает следующим

образом..

Магнитоупрутие преобразователи уотанавливаютс  iB полост х бруса с предварительным нвт гом. Нат г созд ётс  с помощью нажимного винта 13 за счет упругой деформации плеч 9 бруса. При этом упругие плечи правой части бруса изогнуты усилием 1, предварительного нат га преобраэователн 1 П, а упругие плечи левой части - усилием 1( предварительного нат га преобразовател 

0 2 П (см. фиг. 5).

Абсолютна  величина усили  предварительного нат га каждого преобразовател  выбираетс  следующим образом.

5

Если характеристики преобразователей  вл ютс  пр молинейными одинаковой крутизны {фиг. 2), то правьй преобразователь 1 П зажимаетс  усилием Pjrj с достаточно большим запасом

0 линейности, используемым в дальнейшем при разгрузке преобразовател . Этому усилию соответствует выходное напр жение Ijjn измерительной обмотки преобразовател .

5

Левый цреобравователь 2 П зажимаетс  усилием RPI так, чтобы выходные напр жени  9игнальных обмоток преобразователей были равны по знаку иабсолютной величине, т.,е. zn .

0

Если характеристики преобразователей криволинейные (фиг. 7), то правый преобразователь 1 П зажимаетс  достаточно большим по абсолютной величине силием Rjn , позвол ющим в дальнейшем

5 использовать этот преобразователь в режиме разгрузки до точки, соответствующей максимальной его чувствительности.

Левый преобразователь 2 П зажимаетс  .усилием Р2П так, чтобы чувствительность преобразовател  в данной нагрузочной точке была максимальной. Оп- |тимальным будет вариант, когда приращени  лЦ и Д(У выходных напр же-.

5 НИИ при разгрузке соответственно правого и нагрузке левого преобразователей одинаковой силой будут равны по величине и противоположны, по знаку,

В случае применени  нелинейных .преобразователей выходные напр жени  и ; соответствующие усили м предварительного нат га и Р;р , будут различными по абсолютной величине .

5

Рассматрива  каждое упругое плечо как пр мую пружину, защемленную одним концом и нагруженную усилием предварительного поджати  ца другом конце. 7; найдем пер BO начальную: деформацию плеч (фиг. 5), Перемещение точки А приложе ни  силы Pjp обусловлено деформацией упругого плеча РЛП жесткость упругого плеча в точке А; длина плеча от заделки до точки приложени  силы Р.,, модуль продольной упругос ти материала бруса; мЬмейт инерции поперечног сечени  плеча относительно нейтральной оси. Аналогично определ ютс  первоначаль ные перемещени  точек Ь , С и D при- ложени  сил Rn и Ran- Найдем величину S, характеризую- щукЭ раскрытие упругих плеч вдоль нагрузочной оси магнитоупругого преобразовател . Дл  правой части балки имеем л - -С / V/7 тлп «-U/b -, ДЛЯ левой части балки: . где )l - высота балки. Измер емое усилие Р действует на динамометрическую балку через груйо- приемную площадку 2. При этом на монолитный брус со стороны опорных призм 4 и 5 действуют силы реакции RI и R Под действием этих сил брус испытывает деформацию поперечного нагиба, При этом кривизна упругих плеч, расположенных со стороны раст нутых волокон бруса, уменьшаетс , а кривизна упругих плеч, расположенных со егороны сжатых волокон бруса, увеличиваетс  {см. фиг. б),; : Усилие, воспринимаемое каждый преобразобателем , в процессе изгиба монолитного бруса, зависит От величины деформаций того унругого плеча, которое взаимодействует только с преобразовате лем. Запишем выражевие па  определени  полного перемещени  точки В упругого плеча, расположенного на левом конце бруса со сто РОНЫего сжатых волокон. 2 л 60 I МО Л/ Ь Т60 ( АО }С Р ( Р.-.МР. л2 .П г -(р, ,-(,)(:, откуда найдем приращение усили , сжипри деймающего преобразователь ствии опорной реакции RZДР , ft. Запишем выражение дл  определени  полного перемещени  точки С упругого йлеча, ра;сположенного на правом конце бруса со стороны его раст нутых во оifcoH .. С CQ . I Cl, {4.0 ) )Л - Р Г fn-c , (Р,, ,) Р.. откуда найдем прирапхение усили ; сжи мающего преобразователь 1 П при действии опорной реакции R ДР. -f образом, оба магнйтоупругих преобразов ател  при деформации балки под действием измер емой силы Р нагруже ны сжимающим усилием, однако, знак приращени  механической йагруаки, а следобатёльно, н выходного напр жени  у них оказываетс  различным (фиг.б). Под действием измер емой силы преобразователь 1 П, установленный на правом конце бруса, несколько разгружаетс . При afovi усилие, сжимающее сердечник преобразовател , равно Р, , Р,, -коэффиа Ь Л . jdv/ циевт силопереаачи правого преобразов гел  с отрицательным приращением механической нагрузки; и и 5 рассто ни  от точки прилож ни  измер емой силы к балке до ее пр матических опор. Выходное напр жение правого преоб зовател  1 П равно (фиг. 3 и 8) . (4) Под действием измер емой силы преоб разователь 2 П, установленный на лев конце бруса, несколько догружаетс , п этом усилие, сжимающее серйечник- пре образовател , равно 6г,ДР, Р,п Л-, Р., где Я фициент передачи левого преобразовате л  с положительным приращением меха нической нагрузки. .Выходное напр жение левого преобр зовател  2 П равно (фиг. 3 и 8) Результирующее-, напр жение йвух прёоб рааювателей при дифференциальном вклю чении измерительных обмоток равно Ч ;()- (. -(( . . Проанализируем уравнени  (1), (2), (З) (5У;и (t). Если пуйстБительность преобразов зтелей одинакова и характеристики их пр молинейны (фиг, З), то ириУгпЦп с-4 и .а . А -6 Л прирашени  й и и Лг5: м механической нагру1эки равны и противоположны по знаку, др,.-К,Р -у-; К Р ЛР , Поскольку в атом случае приращени  uU ч uUt выходных напр жений также лэавны и противоположны по внаку. то p 32 зультирующее напр жение определ етс  так ( ; (/; формулы (8) следует, что чувствительность динамометрической дифференциальной балки-в два разаменьше чувствительности преобразователей. Характеристика балки с линейными, преобразовател ми также линейна  и выходит из начала координат (фиг. 4). Применение динамометра расшир ет верхний предел измерени  преобразовател  в четыре раза (К-.), при этом нижний предел обусловленньй порогом чувствительности, увеличиваетс  только в два раза. Это способствует уве . личению полного диапазона Фп дреобразовани  в два раза. Чувствительность динамометра с линейными преобразовател ми не зависит от изменени  положени  точки приложени  измер емой силы Р к балке, что очевидно (фиг. З). Если характеристики преобразователей 1 П и 2 П криволинейны с одинаковым характером изменени  чувствительности/ то равные и противоположные по знаку приращени  йР и йр2 механической нагрузки преобразователей вызывают соответствующие приращени  U У и U U выходных напр жений, которые противоположны го знаку, но не равны по величине (фиг. в). Дифференциальное включение нелинейных преобразователей, работающих на идентичных участках выходных характеристик, приводит -к тому, что погрещности нелинейности при строгом равекстве чувствительностей обоих преобразователей , взаимно корректируютс . Характеристика динамометра с нелинейными преобразовател ми линейна , -ао выходит на из начала координйт, а с некоторым; смещением (фиг. 9). Применение описанного динамометра позвол ет создавать достаточно точные, . илоизмерйтельные и весоизмерительные приборы и не имеет аддитивной составл ющей погрешности измерен и . Изменени  температуры окружающей среды, режима пианщ  намагничивающих обмоток, ослаблени  в механических контактах устрЬйства предварительного поджати  магнитоупорного преобразовател , старение материала и, т.п. не вызывают существенного ухода нул  сипоизмерительного устройства благодар  взаимной коррекции аддитивных погрешностей преобразователей . Это позвол ет отказатьс  от устройства автоматической установки нул  перед измерением в приборах класса 0,5; 1 и грубее.

Данный динамометр обладает свойством веаимпой коррекции погрешностей, обусловленных нелинейностью характерис ТНК преобразователей. Погрешность линейности уменьшаетс  в дес ть и более раз.

Поскольку динамометрическа  балка на двух опорах  вл етс  статически определимой системой, то возможные в процессе эксплуатации перемещени  точки приложени  измер емой силы Р вдоль грузоприемной.площадки вли ет только на перераспределение опорных реакций Р и Р, и не приводит к Изменению чувствительности . Это повышает точность измерени  стати юских и динамических . снижает требовани  к конструкции силопередающего устройства.

Формула Изобретени 

Динамометр, содержащий монолитный брус с разрезами на концах, переход щими в полости, в которых с предваритель-г ным поджатием установлены силоизмерительные преобразователи, включенные

по дифференциальной схеме, например маг- нитоупругие датчики силы, силовоспринимагощую часть и опоры, фиксирующие брус на стойке, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности измерени , на одном конце бруса опора расположена со стороны, противоположной направлению действи  силы, а на другом конце бруса - со стороны действи  силы, причем упругое плечо на первом конце бруса, взаимодействующее с силоизмерительным преобразователем и опорой, а также упругое плечо на втором конце бруса, взаимодействующее с силойзмерительным преобразователем, расположе- . ны по отношению к нейтральному слою бруса со стороны, противоположной направлению действи  силы, а- упругое плечо на первом конце бруса, взаимодействующее с силоизмерительным преобразователем , а такисе упругое плечо на втором конце бруса, взаимодействующее с опорой и силоизмерительным преобразователем , расположены По отношению к нейтральному срою бруса со стороны действи  силы.

Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе

1.Патент США № 3.495.453, кл. 73-141, 1970

2.Авторсйое свидетельство СССР

№ 393962,- кл. С 01 -fj 1/12, 1970.

(прототип).

Тс -} -2 -1 О 72 3- ГС

is h

Л, 7У1

IPU2.2

l- apacme pufmuHor

n yScmBu тельность Фаг-З

f,f

ipuz. S

.7

f XcfpoHmepucmuHu npeo5po3oSorr effff

2- vyecmSvmejfbf ocrnb npeoSpasoSomejff)

j г 3 ТС

Те -3 -2-1 О Фиг. 8