УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МОМЕНТОВ ИНЕРЦИИ ТЕЛ

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для измерения моментов инерции тел сложной формы неоднородной плотности относительно произвольной, наперед заданной оси.
Известен ряд методов и устройств для измерения моментов инерции тел [1], среди которых основным является метод колебаний. В соответствии с этим методом измеряемое тело (деталь) включают в состав колебательной системы (осциллятора) и по изменению периода колебаний (или частоты, как обратной величины) судят о величине момента инерции измеряемого тела. Точность измерений существенно зависит от времени (числа измеряемых периодов колебаний), поэтому наряду с системой свободных (затухающих) колебаний используют автоколебания. Для получения автоколебательной системы, в основном, применяют магнитоэлектрический привод. Теория магнитоэлектрического привода изложена в монографии [2], а особенности работы автоколебательной системы с магнитоэлектрическим приводом для случая измерения моментов инерции тел в работе [3].
Конструктивно известные автоколебательные системы с магнитоэлектрическим приводом реализуются применением плоской неподвижной катушки намотанной в два провода (бифилярно), магнитной системы с постоянными магнитами на инерционном теле (балансе) и электронной схемы управления. Обмотки катушки могут быть разнесены по двум магнитным зазорам баланса. Во всех реализациях катушка остается в плоскости колебаний баланса (следовательно, магнитного зазора), располагается симметрично положению равновесия. При колебаниях баланса магнитная система индуцирует в обмотках катушки электродвижущую силу (ЭДС), которая имеет разный знак при прохождении магнитного зазора над входной и выходной половинами катушки. ЭДС одного знака обмотки освобождения катушки управляет электронным ключом, который обеспечивает импульс тока в другой обмотке катушки - обмотке привода. Сообщаемая балансу энергия передается на угле поворота баланса, соответствующем движению над половиной катушки, т.е. импульс, передается либо до положения равновесия баланса, либо за положением равновесия. Ток импульса остается постоянным, форма импульса тока близка к трапецеидальной, энергия импульса постоянна и не зависит от частоты (периода) и амплитуды колебаний.
Развитие систем магнитоэлектрического привода направлено на снижение среднего потребляемого тока [4], улучшение пуска [6, 8], привязку к сигналам точного времени [5]. Известны попытки стабилизации амплитуды колебаний баланса с использованием механического спуска [7] и за счет стабилизации длительности импульса, формируемого электронной схемой управления [9].
Общими недостатками известных систем магнитоэлектрического привода с электронным управлением являются:
- влияние несимметричного положения угла передачи импульса на период колебаний (следствие теоремы Эри, в соответствии с которой импульс до положения равновесия уменьшает период колебаний, за положением равновесия увеличивает период колебаний, а в положении равновесия - не изменяет);
- влияние текущей амплитуды колебаний на период колебаний. Реальная система является неизохронной, т.е. период колебаний зависит от амплитуды. Амплитуда колебаний в свою очередь не остается стационарной в силу непостоянства трения, влияния температуры и других факторов (старения элементов и др.). Эти факторы, в конечном счете, проявляются в нестабильности частоты колебаний.
Указанные недостатки известных устройств проявляются особенно значимо, если период колебания системы изменять. Применительно к измерению момента инерции тела период свободных изохронных колебаний равен:
0
где I - собственный момент инерции системы (баланса);
u
I - момент инерции измеряемого тела;
C - жесткость упругого элемента (пружины) системы.
Таким образом, измерительная автоколебательная система должна работать в широком диапазоне частот (f=1/Т) и обеспечивать постоянство амплитуды колебаний (в пределах допуска).
Из уровня техники неизвестны автоколебательные системы, с магнитоэлектрическим приводом реализующие высокую стабильность частоты колебаний неизохронных осцилляторов применительно к измерительным системам, работающим при переменных номинальных частотах.
Прототипом является устройство управления приводом балансового осциллятора [9]. Это устройство, как и аналоги, содержит магнитную систему в виде двух постоянных магнитов на магнитопроводе инерционного тела (баланса) сопряженного со спиральной пружиной. В зазоре магнитной системы в положении ее равновесия установлена неподвижная плоская кольцевая бифилярная катушка. Электронная схема управления построена на трех транзисторах. На одном транзисторе выполнен электронный ключ управляемый обмоткой освобождения катушки и обеспечивающий импульс тока в обмотку привода. Для регулирования тока (энергии) импульса имеются еще два транзистора. Принцип регулирования основан на перезаряде конденсатора с учетом вольт-амперной характеристики регулирующего транзистора. Управляющим параметром цепи регулирования является наводимая в обмотке электродвижущая сила (ЭДС). Эта ЭДС при фиксированной частоте колебаний пропорциональна амплитуде.
Рассматриваемому устройству свойственны те же недостатки, что и аналогам. Энергия импульса передается балансу несимметрично положению равновесия, что снижает стабильность частоты колебаний. Величина энергии импульса определяется амплитудой ЭДС в катушке освобождения. Но при переменных номинальных частотах амплитуда ЭДС (она пропорциональна скорости изменения магнитного поля, пронизывающего катушку) определяется не только амплитудой колебаний баланса, но и частотой. Этот фактор в данном устройстве управления приводом не учтен.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 изображена конструктивная схема устройства для измерения моментов инерции тел; на фиг.2 - схема прохождения магнитной системой пути при колебаниях; на фиг.3 показаны формы наводимых ЭДС в катушках; на фиг.4 приведена электрическая принципиальная схема управления приводом.
В основе устройства для измерения моментов инерции тел лежит колебательная система (осциллятор), представленная на фиг.1 спиральной пружиной 7 и составным инерционным звеном (балансом). На валу 2 баланса с помощью втулки 3 закреплена магнитная система, состоящая из магнитопровода 4 и постоянного магнита 5 осевой намагниченности. Магнитная система уравновешена немагнитопроводным противовесом 6, закрепленном на крыле 7. Ось баланса установлена в подшипниках 8, 9, имеет конический хвостовик 10, на котором посажена платформа 11 для размещения подлежащих измерению тел. На оси баланса также установлена колодка 12 для крепления внутреннего витка спиральной пружины, внешний виток которой закреплен на неподвижной колонке 13.
В положении равновесия баланса под магнитом 5 неподвижно размещена кольцевая бифилярная катушка 14. Эта катушка расположена в плоскости вала баланса. В центральном отверстии данной катушки неподвижно и соосно с постоянным магнитом 5 в положении его равновесия закреплен постоянный магнит 15, имеющий такую же намагниченность.
Таким образом, в положении равновесия баланса образуется магнитный зазор, где магнитное поле однородно. Магнитный поток при этом замыкается через магнитопровод баланса, магнитопроводные (стальные) несущие элементы конструкции и вал баланса. В магнитном поле зазора оказывается только одна часть катушки, где направление всех витков одинаково. Заметим, что направление витков на другой половине катушки (вне зазора) имеет обратный знак.
ст
В положении отклонения баланса в одну сторону на расчетную (стационарную) амплитуду колебаний Ф, установлена вторая аналогичная по форме, но с одной обмоткой катушка 16. Она ориентирована по отношению к магниту 5 для этого положения баланса аналогично катушке 14. Подобным же образом внутри окна этой катушки закреплен постоянный магнит 17 осевой намагниченности того же направления.
mах
mаx
mах
ст.
ст
Рассмотрим движение свободного баланса от одного крайнего положения (Ф) до другого (-Ф). Будем полагать, Ф>Фдля примера можно принять Ф=135°.
На фиг.2 окружностью показано сечение постоянных магнитов: основная линия соответствует сечению магнита 5, пунктирная - сечению магнитов 15, 17. Штрих пунктирная линия отражает траекторию движения центра магнита 5. Отдельные положения баланса показаны цифрами внутри окружности магнита 5. Катушки 14, 16 изображены в виде прямоугольников, вектором l показано направление витков катушек (той части катушек, которая оказывается в магнитном зазоре). Знаком +B обозначено направление вектора магнитной индукции поля зазора.
При движении баланса по часовой стрелке (вектор угловой скорости ) от положения 1 до положения 10 взаимодействие поля магнитной системы с витками катушек возможно на участках 2-3 и 5-7. Это взаимодействие обеспечивает в витках катушек появление индукционной ЭДС е. Знак ЭДС определяется векторным произведением  ( - вектор линейной скорости). При выбранных направлениях движения, витка и поля, пользуясь правилом правой руки, получим направление ЭДС совпадающее с направлением витков l. На фиг.3 показана стилизованная форма ЭДС е в функции угла поворота баланса φ. Там же соответствующими цифрами отмечены положения баланса в соответствии с фиг.2. При обратном движении баланса (направление ) от положения 10 до положения 1 ЭДС в катушках будет возникать на тех же участках, но знак ЭДС изменится на обратный, поскольку изменилось направление вектора скорости. Заметим - если поменять местами выводы катушек (начало - конец), то знаки ЭДС изменятся на обратные.
Появляющиеся в катушках ЭДС являются управляющими сигналами для работы электронной схемы управления приводом фиг.4. Будем рассматривать вариант построения на транзисторах проводимости n-p-n. В случае транзисторов p-n-p следует поменять подключение концов катушек и подключение полюсов источника питания E.
0
u
ф
На транзисторе VT1 построен электронный ключ, к базе которого подключена обмотка возбуждения W катушки 14, а обмотка импульса W этой катушки подключена между коллектором и полюсом +E источника питания. Второй полюс источника питания соединен с общей шиной. Между эмиттером транзистора VT1 и общей шиной включены параллельно соединенные резистор R1 и конденсатор С1. Для сбоя возможной высокочастотной паразитной генерации из-за влияния межвитковой емкости катушки 14 между коллектором и базой транзистора VT1 подключен конденсатор С2. Через резистор R2 к эмиттеру VT1 подключен эмиттер транзистора VT2. База транзистора VT2 связана с общей шиной через обмотку W (поз.16 на фиг.1 и фиг.2), а коллектор соединен с полюсом +E источника питания.
u min
u max
min
0
u min
mах
0
u max
0
ст
min
max
mах
min
ст
Рассмотрим работу электронной схемы управления приводом. Пусть момент инерции измеряемых тел находится в диапазоне от I до I. Общий момент инерции осциллятора будет в пределах I=I+I - I=I+I, где I - собственный момент инерции осциллятора (включая платформу с крепежом для установки измеряемых тел). Стационарной амплитуде колебаний баланса Ф при I убудет соответствовать наибольшая частота колебаний, что обеспечит наибольшее значение ЭДС в катушках e, а при I будет e для той же амплитуды Ф.
Пока баланс неподвижен смещение обоих транзисторов равно нулю. Их исходные рабочие точки на выходных характеристиках будут находиться на границе зоны отсечки и активной области (пренебрегая обратными тепловыми токами в силу их малости) при этом токи баз VT1 и VT2 равны нулю.
min
0
u
min
0
u
u max
u
0
u
При колебаниях на минимальной амплитуде Ф будет появляться ЭДС только в обмотках W и W. Параметры измерительной автоколебательной системы выбраны таким образом, что амплитудному значению ЭДС e в обмотке W соответствует значение тока импульса в обмотке W I, при этом рабочая точка каскада VT1 смещаясь по нагрузочной прямой не выходит в область насыщения, т.е. рабочая точка остается в активной области транзистора форма тока в обмотке W (тока коллектора) будет повторять форму ЭДС в обмотке W (небольшой деформацией вершины тока импульса за счет ЭДС в обмотке W пренебрегаем).
u
0
u
u
cm
ф
ф
u
0
u
u
0
ф
При уменьшении величины измеряемого момента инерции I растет частота колебаний и ЭДС в обмотках W и W, следовательно, растет ток в катушке импульса W. Увеличивающаяся энергия импульса увеличивает амплитуду колебаний баланса. Увеличение амплитуды колебаний приводит к тому, что вблизи Ф появляется ЭДС в катушке W. Эта ЭДС открывает транзистор VT2 (каскад с общим коллектором) и его эмиттерный ток в течении импульса ЭДС обмотки W заряжает конденсатор С1. Напряжение на конденсаторе С1 является запирающим смещением для каскада VT1, т.е. исходная рабочая точка VT1 перед очередным импульсом привода в катушке W оказывается смещенной в область отсечки характеристик транзистора VT1. Поэтому при появлении ЭДС в обмотках W и W транзистор VT1 откроется лишь тогда, когда его рабочая точка переместится из зоны отсечки в активную область транзистора. Ток импульса в катушке W повторит лишь часть формы ЭДС катушки W. Энергия импульса уменьшится. В силу достаточно большой постоянной времени системы этот процесс будет происходить на нескольких колебаниях, на все уменьшающихся амплитудах. При каждом импульсе ЭДС в обмотке Wбудет происходить подзаряд конденсатора С1, а в паузах между импульсами -разряд через резистор R1. Среднее установившееся значение напряжения на конденсаторе С1 обеспечит значение амплитуды в заданных пределах для данного значения измеряемого момента инерции тела.
Процесс нахождения момента инерции измеряемого тела осуществляется в несколько этапов.
0
0
u
u
Сначала подготавливают платформу 11 - устанавливают элементы базирования и крепления измеряемой детали. Затем подготовленную платформу устанавливают на конический хвостовик 10 вала 2. Приводят баланс в автоколебания и измеряют значение периода колебаний баланса T, пользуясь импульсами на коллекторе транзистора VT1. Для повышения точности измерения значения T следует брать как среднее по нескольким периодам. На следующем этапе на платформу устанавливают измеряемое тело и определяют период колебаний нагруженной системы T. Искомое значение момента инерции тела I вычисляют по формуле
где C - жесткость спиральной пружины (константа измерительной автоколебательной системы);
Предложенное техническое решение устройства для измерения моментов инерции тел на основе автоколебательной системы обеспечивает высокую стабильность частоты колебаний, следствием которой является высокая точность измерения искомого параметра. Стабильность частоты в предлагаемом устройстве реализуется за счет симметричности подводимого в систему импульса энергии относительно положения ее равновесия и стабилизации амплитуды колебаний. Последний фактор также существенно расширяет диапазон измерения.
Заметим также, что предлагаемое устройство может быть применено для целей измерения жесткости спиральных пружин или винтовых пружин, работающих на кручение.
1. Гернет М.М. Ратобыльский В.Ф. Определение моментов инерции, М.: Машиностроение, 1969.
2. Аксельрод З.М. Теория и проектирование приборов времени. Л.: Машиностроение, 1969.
3. Шарыгин Л.Н. Применение автоколебательной системы с магнитоэлектрическим приводом для определения моментов инерции деталей/ Л.Н.Шарыгин.// Известия ВУЗов, Приборостроение, т.ХIХ, №9, с.104-108, 1971.
4. А.С. №503204 кл. G04С 3/00. Схема магнитоэлектрического привода балансового осциллятора.
5. А.С. №600509 кл. G04С 3/00. Электронное устройство управления частотой электромеханического генератора.
6. А.С. №561931 кл. G04С 3/00. Устройство для управления приводом балансового осциллятора электронно-механических часов.
7. А.С. №1509823 кл. G04С 3/00. Устройство для стабилизации амплитуды колебаний осциллятора.
8. А.С. №324533 кл. G01М 1/10. Прибор для измерения момента инерции деталей и жесткости спиральных упругих элементов.
9. А.С. №504175 кл. G04С 3/00. Устройство управления приводом балансового осциллятора - прототип.