ДАТЧИК СИЛЫ

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для контроля напряженно-деформированного состояния инженерных сооружений - плотин гидроэлектростанций, мостов, военных объектов и т.п.
Крупные инженерные сооружения требуют постоянного контроля их состояния. Для этого создаются сложные системы из множества датчиков (патент RU 2473843 МПК G01L 1/16, опубл. 27.01.2013). В силоизмерительных датчиках систем контроля используют различные преобразователи - тензометрические (патент RU 2458326 МПК G01L 1/04, опубл. 10.08.2012), пьезокварцевые (патент RU 2459188 МПК G01L 1/16, опубл. 20.08.2012). Наибольшее применение находят датчики частотного типа, в частности струнные (патент RU 2280846 МПК G01L 1/10, опубл. 27.07.2006). Преимуществом частотных (струнных) датчиков является частотный сигнал, который с высокой надежностью квантуется для последующей цифровой обработки. Однако для струнных датчиков характерно, что по причинам старения материалов и «выползания» струны из заделки, исходная настройка со временем смещается. Это приводит к снижению достоверности результата измерения. Для поддержания достоверности результата измерения, в сложных системах с удаленными датчиками, необходим дистанционный контроль исходной настройки.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к заявляемому датчику силы является струнный датчик силы по патенту Российской Федерации RU 2042121 С1 МПК G01L 1/10, опубл. 20.08.1995.
В качестве чувствительного элемента в датчике - прототипе применена струна 8, размещенная в корпусе 1. Струна одним концом закреплена с жестким центром (керном) 15 мембраны 2. Мембрана закреплена по контуру в корпусе с помощью прижинного кольца 6. Имеется группа взаимосвязанных деталей 3, 4, 5, 12, 17, 19, образующих элемент связи жесткого центра мембраны с объектом измерения, т.е. образующих переходник.
Второй конец струны соединен с подвижным элементом (винтом) 9, снабженным стопором 10. Подвижный элемент позволяет изменять силу предварительного натяжения струны.
Имеется электромагнит струны в составе магнитопровода с обмоткой 7. В описании к рассматриваемому патенту не раскрыты материалы струны и магнитопровода электромагнита струны. Можно предположить, что эти элементы выполнены из магнитомягких материалов. В этом случае следует ожидать малую амплитуду индукционной ЭДС в обмотке 7, поскольку магнитный поток будет создаваться только индукцией остаточного намагничивания. Это обстоятельство ограничивает надежность и достоверность результата измерения.
В описании изобретения прототипа записано «До проведения измерений струнный датчик силы… Непосредственно перед измерением проводится регулировка начального диапазона периода колебаний струны 8…». Судя по фиг. 1 для этого необходимо предварительно выкрутить законцовку корпуса 13. Из этой процедуры следует, что применение таких датчиков в удаленном доступе в составе системы практически невозможно.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение достоверности результатов измерения при использовании датчиков силы в удаленном доступе.
Для достижения поставленного результата решаются задачи:
1. Разработка основных технических решений по созданию датчика силы способного работать в удаленном доступе и формирующего сигналы, отражающие достоверное значение измеряемой величины.
2. Разработка электрической схемы датчика силы минимизирующей количество проводников в линии связи с вторичным прибором системы измерения и контроля.
Указанный результат достигается тем, что датчик силы, содержащий корпус, в котором размещена струна, связанная одним концом с жестким центром закрепленной по контуру в корпусе мембраны, а другим концом соединенная с подвижным элементом снабженным стопором и позволяющим изменять силу натяжения струны, электромагнит струны в составе магнитопровода с обмоткой расположенный около средней части струны, и переходник, соединяющий жесткий центр мембраны с объектом измерения, снабжен конденсатором, включенным последовательно с обмоткой электромагнита струны, и ограничителем, при этом жесткий центр выполнен в виде закрепленной на мембране втулки с центральным отверстием квадратного сечения, помещенного в это отверстие подвижного зажима струны с винтом, соединяющим втулку и подвижный зажим струны, подвижный элемент снабженный стопором выполнен в виде двуплечего поворотного рычага с неподвижным электромагнитом рычага в составе магнитопровода с обмоткой, первое плечо двуплечего поворотного рычага соединено с другим концом струны, а стопор и электромагнит рычага размещены по разные стороны второго плеча, ограничитель выполнен в виде скобы, одним отогнутым концом закреплен на подвижном зажиме струны, второй его отогнутый конец размещен в зоне первого плеча двуплечего поворотного рычага с возможностью взаимодействия с ним.
В предлагаемом датчике силы магнитопровод электромагнита струны выполнен поляризованным на основе постоянного магнита.
В предлагаемом датчике силы обмотка электромагнита рычага включена параллельно последовательному соединению обмотки электромагнита струны с конденсатором с образованием общей шины и сигнального входа-выхода.
На чертежах показано устройство датчика силы: фиг. 1 - конструктивная схема датчика силы; фиг. 2 - разрез I по фиг.1; фиг. 3 - электрическая схема датчика силы.
Принятые обозначения
1. Струна
2. Корпус
3. Мембрана
Жесткий центр (мембраны)
4. Втулка
Подвижный зажим струны
5. Корпус зажима
6. Накладка
7. Винты (накладки 6)
8. Винт (жесткого центра)
9. Переходник
Подвижный элемент
10. Двуплечий поворотный рычаг - рычаг
11. Ось
12. Накладка
13. Винты (накладки 12)
Стопор
14. Винт (стопора)
15. Контргайка (винта 14)
16. Магнитопровод электромагнита рычага
17. Обмотка электромагнита рычага
18. Магнитопровод электромагнита струны
19. Обмотка электромагнита струны
20. Ограничитель
21. Винты (ограничителя)
Поскольку рычаг в датчике силы один, то в пределах описания будем применять краткий синоним: вместо полного термина «Двуплечий поворотный рычаг» использовать термин «Рычаг».
Чувствительным элементом датчика силы является струна 1, выполненная в виде плоской ленты из магнитопроводного материала. Струна размещена внутри корпуса 2 (на чертеже показан штриховкой).
Верхнее крепление струны (здесь и далее ориентация чертежа) выполнено следующим образом. В корпусе по контуру закреплена мембрана 3 имеющая жесткий центр, который образуют:
- втулка 4, имеющая центральное сквозное отверстие квадратного сечения, закрепленная в центральном отверстии мембраны завальцовкой;
- подвижный зажим струны, в основе которого корпус зажима 5, имеющий хвостовик квадратного сечения с резьбовым отверстием входящий в квадратное отверстие втулки 4. В корпусе зажима выполнен паз, в котором размещена накладка 6. Плоское дно паза совместно с накладкой и винтами 7 накладки образуют тисковое крепление струны. Для удобства первичного монтажа, в корпусе зажима от верхней кромки паза до резьбового отверстия выполнено отверстие диаметром несколько превышающим диагональ сечения струны. Втулка 4 и корпус зажима 5 соединены винтом 8.
С жестким центром соединен переходник 9, через который передается измеряемая сила. Переходник закреплен на втулке 4 с помощью резьбы.
Обратимся к нижнему креплению струны. Имеется подвижный элемент 10 в виде двуплечего поворотного рычага с осью вращения 11. Рычаг 10 выполнен из магнитопроводимого материала. Первое плечо рычага соединено с концом струны посредством накладки 12 и винтов 13. Накладка установлена в пазу первого плеча рычага. От нижней плоскости этого паза выполнено сквозное технологическое отверстие для струны по аналогии с отверстием для струны в корпусе зажима 5. Таким образом, нижнее крепление струны тоже тисковое. В состав подвижного элемента входит стопор и электромагнит рычага, которые размещены по разные стороны второго плеча рычага. Стопор на фиг. 1 представлен винтом 14 и контргайкой 15. Электромагнит рычага имеет магнитопровод 16, обмотку 17 и установлен в корпусе с образованием зазора, обеспечивающего поворот рычага 10.
Для возбуждения колебаний струны и получения измерительного сигнала предусмотрен электромагнит струны, состоящий из поляризованного магнитопровода 18 и обмотки 19. Поляризованный магнитопровод выполнен либо из магнитотвердого материала, либо составлен из постоянного магнита с полюсными наконечниками из магнитомягкого материала с образованием магнитных полюсов N и S. Электромагнит струны закреплен на корпусе в зоне средней части струны.
В конструкции датчика силы предусмотрен ограничитель 20 в форме скобы, который верхним отогнутым концом винтами 21 снизу закреплен на корпусе 5 подвижного зажима струны. Второй отогнутый конец ограничителя размещен в зоне конца первого плеча двуплечего поворотного рычага 10, таким образом, что обеспечивается ограничение поворота рычага 10 (по часовой стрелке).
В соответствии с электрической схемой датчика силы (фиг. 3) внутри корпуса 2 закреплен электрический конденсатор С (на фиг. 1 не показан). В целом, датчик силы герметизирован. Вопросы герметизации, фиксации винтов, в частности винта 8, подвижного соединения переходника с корпусом являются типовыми и здесь не рассматриваются.
0
При сборке датчика силы его настраивают на исходную частоту струны , которая определяется параметрами струны и силой предварительного натяжения F. При сравнительно длинной струне и расположением возбуждающей силы в средней ее части получается первая форма колебаний (струна колеблется с образованием одной полуволны). Начальная собственная частота колебаний (Проектирование датчиков для измерения механических величин / Под ред. Е.П. Осадчего. - М.: Машиностроение, 1979. - С. 286)
где m, I - соответственно масса и длина струны;
- круговая частота.
0
0
В процессе настройки изменяют силу предварительного натяжения F с помощью винта 8 жесткого центра мембраны и винта 14 стопора двуплечего поворотного рычага. По окончании настройки первое плечо (правое по чертежу) двуплечего поворотного рычага будет опираться на отгиб ограничителя 20, т.е. зазор Δ по фиг. 1 будет равен нулю. При этом мембрана 3 будет иметь начальный прогиб δ - смещение жесткого центра (Андреева, Л.Е. упругие элементы приборов / Л.Е. Андреева. - М.: Машгиз, 1962. - С. 233).
где  - средний радиус мембраны;
- цилиндрическая жесткость мембраны, обозначено
3
4
R, R - соответственно внешний радиус мембраны 3 и внешний радиус (радиус закольцовки) втулки 4;
м
M
Е, h, µ - соответственно модуль упругости первого рода материала мембраны, ее толщина и коэффициент Пуассона.
Контроль начальной настройки ведут следующим образом. Подают на вход-выход Е (см. фиг. 3) короткий прямоугольный импульс (миллисекундный диапазон), за счет которого струна получает некоторое отклонение и переходит в режим свободных колебаний. При колебаниях изменяется зазор между струной и поляризованным магнитопроводом 18 электромагнита струны, что приводит к изменению магнитного потока и появлению индукционной ЭДС. Заметим, что амплитуда ЭДС кажется сравнительно большой за счет поляризации магнитопровода электромагнита струны 18. Большая величина амплитуды ЭДС обеспечивает надежность и достоверность результата измерения частоты (либо обратной величины - периода колебаний).
p
p
эс
эс
Рассмотрим происходящие процессы подробнее с использованием электрической схемы - фиг. 3. Электромагнит рычага на электрической схеме отражен индуктивностью L обмотки 17 и ее активным сопротивлением R. Аналогично электромагнит струны представлен индуктивностью L и активным сопротивлением обмотки 19 - R. Как было отмечено выше последовательно с обмоткой 19 включен конденсатор С. Таким образом, образованы две параллельные цепи. Одна, объединенная точка образует общую шину, а вторая точка Е является электрическим входом-выходом датчика силы.
Цепь электромагнита струны представляет собой последовательный колебательный контур с круговой частотой
и добротностью
Полоса пропускания контура
определяется добротностью контура
Вторая ветвь электрической схемы является апериодическим звеном и характеризуется постоянной времени
p
где L - индуктивность обмотки 17 электромагнита рычага;
p
R - активное сопротивление обмотки 17.
u
Рассмотрим прохождение короткого одиночного прямоугольного импульса длительностью t подаваемого на вход-выход Е - ситуация контроля начальной настройки.
Прямоугольный импульс может быть разложен в гармонический ряд Фурье. Этому разложению соответствует сплошной («белый») спектр. Гармоники спектра в пределах полосы пропускания (4) имеют большую амплитуду. Пусть начальные параметры соответствуют условию - см. формулы (1) и (5)
0
тогда произойдет резонансное возбуждение струны на круговой частоте ω.
u
После окончания импульса t точка Е подключается к измерителю частоты.
Положим, что соблюдено условие
u
Тогда за время действия импульса t ток в цепи катушки 17 электромагнита рычага практически оказывается ничтожно малым, следовательно, магнитное взаимодействие с рычагом 10 будет отсутствовать, т.е. двуплечий поворотный рычаг останется в исходном положении на стопоре 14.
Реализуются отмеченные выше условия (7), (8) подбором величины емкости С и параметров электромагнитов.
u
u
Рассмотрим процедуру при прохождении отрицательного импульса t. Отрицательный импульс организуем следующим образом. Подадим на вход-выход Е постоянное напряжение U, затем прервем это напряжение на время t.
эс
эс
зат
В момент включения фронт напряжения даст короткий дифференцированный импульс тока по цепи LRC, за счет которого будут обеспечены свободные колебания струны с малой начальной амплитудой, следовательно с малым временем t затухания колебаний. Принято считать (Стрелков, С.П. Введение в теорию колебаний: учебник / С.П. Стрелков. - М.: Наука, 1964. - 440 с.), что переходные процессы в цепях с реактивностью заканчиваются за время, равное трем постоянным времени цепи. В рассматриваемом случае ток в цепи катушки 17 электромагнита рычага достигнет номинального значения
за время
С учетом отмеченного выше замечания будем полагать, что за это же время прекратятся затухающие колебания струны, т.е.
17
u
u
По исходному условию в момент времени превышающий t прервем питающее напряжение U на время t, что соответствует отрицательному прямоугольному импульсу длительностью t. Разложение Фурье не зависит от знака импульса, спектр частот остается прежним.
u
Следовательно, отрицательный импульс t обеспечит такое же возбуждение свободных колебаний струны, как и положительный, рассмотренный выше. Но здесь изменилась ситуация с двуплечим поворотным рычагом. Номинальный ток электромагнита рычага 10 обеспечит достаточную силу взаимодействия, и рычаг будет стремиться поворачиваться. Поворот рычага возможен только до механического контакта с ограничителем 20.
Изложенное рассмотрение позволяет сделать выводы:
1. Положительный и отрицательный прямоугольные импульсы оказывают одинаковое возбуждение свободных колебаний струны.
2. В случае положительного импульса поворотный двуплечий рычаг остается в исходном положении - на стопоре.
3. В случае отрицательного импульса поворотный двуплечий рычаг прижат к ограничителю.
u
Работа датчика силы. Устанавливают датчик силы на объекте таким образом, чтобы измеряемая сила F воздействовала на переходник 9 в осевом направлении.
u
Под действием измеряемой силы F увеличится предварительный прогиб мембраны 3, т.е. жесткий центр сместится вниз. Совместно с жестким центром сместится вниз ограничитель 20. При этом будет потерян механический контакт ограничителя с рычагом 10. В случае длинной струны появится некоторый зазор Δ. Текущее значение силы натяжения струны составит
Соответственно собственная частота струны будет равна
С учетом формул (13), (14) передаточная функция датчика силы будет иметь вид
u min
с max,
c min
Диапазон измерения определяется полосой пропускания контура - формула (5). Нижняя граница F диапазона измерения соответствует циклической частоте ω а верхняя - частоте ω. Верхняя граница диапазона измерения может быть увеличена за счет повышения чувствительности вторичного прибора.
Достоверный результат измерения получают в три этапа:
u
1. От вторичного прибора на вход-выход Е датчика силы дают положительный прямоугольный импульс t. Непосредственно после окончания этого импульса измеряют частоту  и вычисляют по формуле (14) измеряемую силу.
0
2. Производят контроль текущего состояния датчика силы по величине силы предварительного натяжения F. Для этого от вторичного прибора на вход-выход Е датчика силы дают отрицательный прямоугольный импульс. При этом рычаг 10 поворачивается и опирается на нижний отгиб ограничителя 20, обеспечивая исходную длину струны. По окончании отрицательного импульса измеряют собственную частоту настройки .
3. Если результат по п. 2 не равен паспортному значению , то производят пересчет результата измерения, полученного в п. 1, по формуле (15).
Таким образом, предлагаемый датчик силы может работать в удаленном доступе при двухпроводной линии связи, обеспечивает необходимую достоверность результата измерения за счет контроля его текущего состояния и большой амплитуды генерируемой ЭДС.