УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАССЫ В НЕДОСТУПНОМ ДЛЯ ПРЯМОГО ИЗМЕРЕНИЯ ОБЪЕМЕ

Полезная модель относится к измерительным устройствам, в частности, к устройствам для взвешивания, в которых измерение массы достигается с помощью магнитных средств.
Известно устройство для определения массы тела, помещенного в герметичную камеру ( «Весы с магнитоэлектрическим уравновешиванием для исследования материалов п. России № 2047846, G01G 7/02 от 07.12.92 г.). Устройство содержит герметичную камеру, в которую помещают взвешиваемый груз. Кроме того, устройство содержит постоянный магнит, создающий магнитное поле, катущку с сердечником, стрелку, взаимодействующую с грузом, рамку, регистрирующие приборы. В данном устройстве изменение массы фиксируется индуктивным датчиком. Перемещение сердечника катушки (при изменении массы) преобразуется индуктивным датчиком в электрический сигнал, который поступает на графопостроитель, фиксирующий массу в любой момент времени. Магнитное поле, взаимодействующее с рамкой, уравновешивает стрелку с подвешенным на ней грузом. Недостатком данного устройства является то, что оно пригодно для взвешивания грузов небольшой массы при его малых перемещениях в камере и непригодно для измерения веса в недоступном объеме.
Известны весы Гаста, в которых взвешиваемый груз помеш:ается в герметичной камере при определенных условиях газовой среды и температуры. Устройство содержит тонкостенную герметичную камеру, в которой расположен постоянный магнит с подвешенным на нем грузом. Вне камеры, в непосредственной близости от нее, установлен второй постоянный магнит с соленоидами, помеш,енные в металлический корпус и связанные с подвижной системой весов. Снизу соленоида расположена индуктивная катушка. Уравновешивание магнитной системы при изменении веса осуш;ествляется силой тока соленоида. Определение массы определяют по электромагнитному усилию, необходимому для достижения равновесия магнитной системы. (О.Г. Кацнельсон, А.С. Эдельштейн «Автоматические измерительные приборы с магнитной подвеской, Москва,Энергия, 1970 г.).
Указанное устройство выбрано заявителем в качестве прототипа.
Недостатком данного устройства является невозможность его применения для определения массы, например, при выраш;ивании искусственных кристаллов в недоступном для прямого измерения объеме, в частности, автоклавах высокого давления. Установка устройства снаружи невозможна, т.к. крышка герметичной камеры (автоклава), выполненная из магнитовосприимчевой стали, достигает толщины около 0,5 метра, что приводит к практически полному поглощению магнитного поля. Применение электрических устройств (соленоидов и т.п.) для прямого измерения внутри автоклава также невозможно, в виду того, что в герметичной камере, где происходит процесс выращивания кристаллов, создается агрессивная среда, высокие температура (до 350 С) и давление (до 100 МПа). Это приведет к быстрому выходу их из строя, кроме того, в этом случае невозможно осуществить передачу электрического сигнала через стенки герметичной камеры без серьезного нарушения конструкции камеры и ее прочности.
Технической задачей предполагаемой полезной модели является определение массы, например, выращиваемых кристаллов в недоступном для прямого измерения объеме путем измерения перемещения подвижной опоры с установленными на ней затравкам кристаллов непрерывно во времени.
Для достижения поставленной задачи в устройстве для определения массы в недоступном для прямого измерения объеме, содержащем герметичную камеру, системы взаимодействующих магнитов, одна из которых связана с изменяющейся массой и установлена внутри камеры, другая - вне ее, согласно полезной модели, магнитная система, связангоосУ
нал с изменяющейся массой, закреплена посредством упругого элемента на неподвижной опоре, кроме того, в герметичной камере установлен стакан из немагнитного материала, закрепленный в ее крышке, с размещенной в нем второй магнитной системой, связанной со стержнем, при этом они установлены с возможностью поступательного перемещения внутри стакана и соединены со следящим приводом, кроме того, неподвижная опора закреплена на стакане из немагнитного материала, а стержень соединен с устройством для регистрации перемещения посредством упругого элемента.
Закрепление на неподвижной опоре посредством упругого элемента одной из магнитных систем, связанной с изменяющейся массой, например, затравками выращиваемых кристаллов, позволяет ей перемещаться в герметичной камере по мере изменения массы кристалла.
Установка в герметичной камере стакана и закрепление его в крыщке образует изолированный от агрессивной среды объем, в котором устанавливается вторая магнитная система и обеспечивает доступ к ней извне.
Связь второй магнитной системы со стержнем и вторым упругим элементом с возможностью поступательного перемещения внутри стакана позволяет определить положение первой магнитной системы, связанной с изменяющейся массой кристаллов.
Соединение второй магнитной системы через стержень и вторым упругим со следящим приводом позволяет измерить перемещение первой магнитной системы и по его величине определить массу выращиваемых кристаллов из соотношения:
m(t)g  c(t)+Fa,
где / - время,
m(t) - масса кристаллов, н , g  9,81 м/с - ускорение силы тяжести, с - коэффициент жесткости упругого элемента, н/м, 1 (t) - перемещение, л,
Fa  архимедова сила, зависящая от отношения плотности среды к плотности кристаллической массы, н,
При надлежащем выборе величины коэффициента жесткости С устройство позволяет выполнять измерение массы в широком диапазоне ожидаемых величин.
Крепление неподвижной опоры на стакане из немагнитного материала обеспечивает технологичное и надежное соединение.
Измерение перемещения происходит следующим образом. В исходном состоянии магнитные поля двух магнитных систем находятся в равновесии. При изменении массы кристаллов упругий элемент, посредством которого подвижная опора с затравками кристаллов и магнитной системой прикреплены к пеподвижной опоре, деформируется, что приводит к возникновению дополнительного усилия взаимодействия между магнитными полями. Усилие, воздействующее на вторую магнитную систему, передаваясь через стержень, приводит к деформации второго упругого элемента, который, воздействуя на реостатный датчик, создает в нем электрический сигнал, пропорциональный дополнительному усилию взаимодействия между магнитными полями. Электрический сигнал датчика поступает на вход усилителя, выход которого нагружен на реверсивный двигатель. Датчик и реверсивный двигатель образуют петлю отрицательной обратной связи, в результате чего двигатель отрабатывает перемещение, устраняющее дополнительное усилие взаимодействие между магнитными полями. Магнитные поля вновь оказываются в исходном состоянии равновесия, но при новом положении затравок кристаллов.
В результате проведенных патентных исследований не выявлено аналогичных технических решений, что позволяет предположить соответствие предполагаемой полезной модели критерию «новизна и «изобретательский уровень. Оно прошло испытания на заводе Кристалл (г. Южноуральск, Челябинской обл.), поэтому может считаться «промышленно применимым.
.ГГЯ 6
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема устройства для определения массы в недоступном для прямого измерения объеме.
Заявляемое устройство содержит герметичную камеру 1, крышку камеры 2, расположенную на ней неподвижную опору 3, постоянные магниты 4, установленные на подвижной опоре 5, затравки кристаллов 6, упругий элемент 7, при помощи которого подвижная опора 5 с магнитами 4 и затравками кристаллов 6 подвешена на неподвижной опоре 3, стакан из немагнитного материала 8, в котором расположен постоянный магнит 9, установленный на стержне 10, второй упругий элемент 11, соединенный со стержнем 10 в точке /4 и с тросиком 12 в точке В, компенсационную пружину 13, шкивы 14, через которые проходит тросик 12, реостатный датчик 15,троссик 16, двигатель 17, датчик перемещения 18, усилитель 19, регистрирующий прибор 20
Устройство работает следующим образом.
В крыщке 2 герметичной камеры (автоклава) 1 устанавливают и закрепляют стакан из немагнитного материала 8. Стакан 8 имеет свободный доступ извне. На стакане из немагнитного материала 8 закрепляют неподвижную опору 3, к которой при помощи упругого элемента 7 крепится подвижная опора 5 с магнитной системой с магнитами 4, расположенной в непосредственной близости от стакана 8. На подвижНОЙ опоре 5 закрепляют также затравки кристаллов 6. Стержень 10 выступает за пределы герметичной камеры 1 и связан с упругим элементом 11 и датчиком 15.
Магнитные поля, создаваемые магнитными системами с магнитами 4 и 9 находятся в равновесии. При изменении массы кристаллов подвижная опора 5 вместе с магнитной системой с магнитами 4 перемещается вниз, что создает дополнительное усилие взаимодействия между магнитными системами с магнитами 4 и 9. Это усилие, передаваясь через стержень 10, воздействует на упругий элемент 11 и через тросик 16 воздействует на реостатный датчик 15, (при этом точка А перемещается вниз). Сигнал датчика 15, пропорциональный дополнительному усилию взаимодействия между магнитными системами 4 и 9 подается на вход усилителя 19, на выходе которого создается управляющее напряжение, подаваемое на реверсивный двигатель 17. Система датчик 15 - двигатель 17 образуют петлю отрицательной обратной связи, поэтому двигатель 17 стремится скомпенсировать дополнительное усилие взаимодействия между магнитными системами с магнитами 4 и 9. При этом с помощью тросика 12 и шкивов 14 точка В перемещается вслед за точкой А. Вал реверсивного двигателя 17 механически связан с реостатным датчиком 18, который вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный перемещению точки В, что в конечном
итоге определяет перемещение подвижной опоры 5 с установленными на ней затравками кристаллов 6. Сигнал датчика 18 подается на вход регистрирующего прибора 20, который производит запись процесса накопления массы кристаллов непрерывно во времени.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет определить массу выращиваемых кристаллов в недоступном для прямого измерения объеме путем измерения перемещения затравок с выращиваемыми кристаллами непрерывно во времени.
200