УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАССЫ В УСЛОВИЯХ НЕВЕСОМОСТИ
DEVICE TO MEASURE MASS UNDER ZERO GRAVITY

Изобретение относится к массоизмерительной технике, а именно к средствам для измерения массы объектов в условиях невесомости, т.е. инертной массы.
Известны разнообразные средства, позволяющие измерять массу в условиях невесомости.
В частности, известны устройства, основанные на измерении центробежной силы, возникающей при вращении объекта, масса которого подлежит измерению, вокруг оси, не проходящей через центр его масс (см., например, патенты ФРГ №4211760, опубл. 19.08.1993 [1]; №4216279, опубл. 06.05.1993 [2]). В устройствах результат измерения зависит от фактического положения центра масс объекта, поэтому для достижения требуемой точности необходимо знать это положение.
Наряду с указанными известны устройства, в которых измеряемый объект включается в состав колебательной системы и искомая масса определяется по результатам измерения собственной частоты или периода колебаний этой системы, которые возбуждаются, например, импульсным воздействием на нее (см., например, патенты США №5902964, опубл. 11.05.1999 [3]; №6756548Б, опубл. 29.06.2004 [4]). Такие устройства малопригодны для измерения массы объектов, не имеющих определенной формы и способных изменять ее, например живых организмов. Кроме того, при таком принципе измерения оказываемое на живой объект воздействие (многократное изменение направления ускорения и, как следствие, направления перегрузки) может быть неблагоприятно для него.
Известны также устройства, в которых измеряемый объект приводят в прямолинейное движение с заданным ускорением и определяют массу объекта по величине воздействующего на него усилия либо по времени, необходимому для прохождения фиксированного расстояния или для достижения заданной скорости (см., например, авторские свидетельства СССР №981831, опубл. 18.12.1982 [5]; №964472, опубл. 10.10.1982 [6]; №518639, опубл. 22.07.1976 [7]) Такие устройства свободны от ограничений, присущих устройствам по патентам [1]-[4] и аналогичным им. При этом в устройстве, известном из авторского свидетельства [6], для придания ускорения объекту измерения используется магнитное поле, создаваемое соленоидом. Известно также устройство, описанное в патенте Российской Федерации №2199003 [8] (опубл. 20.02.2003), в котором тоже используется сила магнитного взаимодействия. В соответствии с этим техническим решением объект измерения размещают в контейнере, снабженном ферромагнитным элементом. На последний воздействуют магнитным полем, создаваемым управляемым электромагнитами, для приведения контейнера с объектом измерения в состояние левитации и возбуждения его колебательного движения, по результатам измерения параметров которого судят о массе.
Устройства данной группы более близки к предлагаемому, чем устройства по патентам [1]-[4]. Эти устройства различаются, в основном, используемыми в них средствами для создания ускорения и, как следует из сказанного выше, составом средств для измерения параметров, на основе которых производится определение искомой массы.
Из указанных устройств наиболее близким к предлагаемому является устройство по авторскому свидетельству СССР №964472 [6]. В этом техническом решении для придания ускорения объекту измерения используется сила магнитного взаимодействия, в связи с чем устройство содержит средство для создания магнитного поля. Для перемещения объекта измерения данное устройство снабжено каналом трубчатой формы. Кроме того, оно содержит средство для измерения интервала времени прохождения объектом измерения фиксированного расстояния и соединенное с ним вычислительное средство для определения искомой массы по результатам измерения. Вычислительное средство в данном устройстве необходимо не только для того, чтобы оперировать с измеренными значениями упомянутого интервала времени, поскольку с помощью этого устройства возможно измерение массы только тел, обладающих ферромагнитными свойствами, так как магнитное поле, создаваемое содержащимся в устройстве соленоидом, воздействует непосредственно на объект измерения. Кроме того, поскольку сила магнитного взаимодействия зависит от магнитных свойств объекта измерения, устройство усложнено из-за наличия в нем необходимых для определения этой силы средств измерения магнитной проницаемости и геометрических размеров объекта. Проведение таких измерений является источником дополнительных погрешностей при определении массы. Наконец, поскольку магнитное поле создается электромагнитом (соленоидом), необходим дополнительный источник электроэнергии для питания соленоида, нестабильность которого является причиной дополнительных погрешностей измерения массы.
Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в возможности измерения масс объектов, как обладающих, так и не обладающих ферромагнитными свойствами, при одновременном повышении точности и упрощении процесса измерения и конструкции устройства за счет исключения необходимости измерения магнитной проницаемости и геометрических размеров объекта и средств для этих измерений, а также за счет исключения необходимости в источнике электроэнергии, нестабильность которого приводит к дополнительным погрешностям измерения. Ниже при раскрытии сущности предлагаемого изобретения и рассмотрении частных случаев выполнения предлагаемого устройства и при описании их конкретной реализации будут указаны и другие виды достигаемого технического результата.
Устройство для измерения массы в условиях невесомости по предлагаемому изобретению, как и указанное выше наиболее близкое к нему известное устройство по авторскому свидетельству СССР №964472 [6], содержит средство для создания магнитного поля и трубчатый канал для перемещения объекта измерения с использованием силы магнитного взаимодействия для придания ускорения объекту измерения, а также средство для измерения времени прохождения объектом измерения фиксированного расстояния и соединенное с ним вычислительное средство для определения искомой массы по результатам измерения.
Для достижения указанного технического результата предлагаемое устройство, в отличие от наиболее близкого к нему известного устройства, содержит постоянный магнит в качестве средства для создания магнитного поля, ферромагнитный элемент для взаимодействия с этим полем и трубчатый канал для перемещения этого ферромагнитного элемента. Трубчатый канал для перемещения объекта измерения снабжен средством для размещения объекта измерения. Указанный постоянный магнит и ферромагнитный элемент установлены в противоположных концах трубчатого канала для перемещения ферромагнитного элемента. Ферромагнитный элемент связан со средством для размещения объекта измерения гибкой нерастяжимой нитью для передачи этому средству ускоряющего усилия от ферромагнитного элемента.
Наличие в устройстве средства для размещения объекта измерения и ферромагнитного элемента, связанных гибкой нерастяжимой нитью, позволяет разнести объект измерения и место приложения создаваемой магнитным полем силы, приводящей в движение объект измерения. Одновременно это позволяет измерять массу объектов различного консистентного состава и решает проблему передачи ускоряющего усилия объекту измерения, независимо от природы этого объекта, в том числе независимо от наличия или отсутствия у него ферромагнитных свойств. Кроме того, передача ускоряющего усилия через гибкую нерастяжимую нить позволяет разнести в пространстве ферромагнитный элемент и объект измерения и исключить полностью или существенно ослабить воздействие на объект измерения магнитного поля, которое может быть нежелательным для объектов, как обладающих, так и не обладающих ферромагнитными свойствами, поскольку способно изменить их состояние, а также может влиять на некоторые свойства веществ объектов измерения. При этом гибкость нити, используемой для передачи ускоряющего усилия к объекту измерения от ферромагнитного элемента, позволяет реализовать конструктивные схемы предлагаемого устройства, предусматривающие движение объекта измерения и ферромагнитного элемента не обязательно в одном и том же направлении. Это обеспечивает расширение диапазона условий, в которых предлагаемое устройство может быть применено при различных частных формах его выполнения.
Наличие в составе устройства постоянного магнита в качестве средства для создания магнитного поля позволяет обойтись без соленоида (современные постоянные магниты позволяют получить большую индукцию при малой массе, не говоря уже о том, что они не нуждаются в источнике питания, нестабильность которого вызывает дополнительные погрешности измерения). Вычислительное средство выполняет гораздо более простую функцию, чем в наиболее близком известном устройстве, осуществляя определение массы по записанной в его памяти зависимости времени прохождения объектом измерения фиксированного расстояния от массы объекта измерения. Конкретный вид ее зависит от свойств используемого постоянного магнита, свойств и массы ферромагнитного элемента, массы средства для размещения объекта измерения и величины упомянутого фиксированного расстояния. Никакие измеряемые данные, кроме времени прохождения объектом измерения фиксированного расстояния, не используются, и поэтому в устройстве отсутствуют какие-либо иные измерительные средства. Благодаря этому также повышается точность измерения массы.
При этом отсутствие в предлагаемом устройстве ряда средств, присущих наиболее близкому известному устройству, обусловливающее упрощение конструкции предлагаемого устройства и процесса измерения при его использовании, имеет место без утраты предлагаемым устройством возможностей, которыми располагало наиболее близкое к ним известное устройство. Это достигается благодаря измененной конструктивной схеме предлагаемого устройства, предусматривающей использование постоянного магнита и взаимодействие создаваемого им поля не непосредственно с объектом измерения, а с введенным в состав устройства ферромагнитным элементом, имеющим кинематическую связь с объектом измерения, реализуемую с помощью простейшего средства в виде нити. Поэтому исключается сама необходимость измерений, производимых исключаемыми средствами известного устройства.
Из приведенного рассмотрения совокупности признаков предлагаемого устройства видно, что она обусловливает такие особенности его конструкции и функционирования, которые обеспечивают достижение указанного выше технического результата.
Предлагаемое устройство может содержать элемент для фиксации средства для размещения объекта измерения в исходном положении и освобождения его в момент начала измерения, связанное с вычислительным средством для определения искомой массы по результатам измерения. Наличие такого элемента позволяет обеспечить лучшую синхронизацию процесса измерения с началом работы устройства и благодаря этому повысить точность измерения. Работа устройства может начинаться по команде, формируемой этим средством и подаваемой им на элемент для фиксации средства для размещения объекта измерения в исходном положении и освобождения его в момент начала измерения, либо по команде, формируемой этим элементом и подаваемой в вычислительное средство. Благодаря тому, что элемент для фиксации средства для размещения объекта измерения в исходном положении и освобождения его в момент начала измерения и средство для измерения времени прохождения объектом измерения фиксированного расстояния соединены с вычислительным средством, в предлагаемом устройстве может быть реализован любой из названных видов логики управления устройством.
Предлагаемое устройство в частном случае его выполнения может дополнительно содержать средство для фиксации ферромагнитного элемента в исходном положении и освобождения его в момент начала измерения, соединенное с вычислительным средством для определения искомой массы по результатам измерения. Наличие такого средства для фиксации позволяет обеспечить постоянство исходного положения ферромагнитного элемента и благодаря этому дополнительно способствует повышению точности измерения.
Входящее в состав предлагаемого устройства средство для измерения времени прохождения объектом измерения фиксированного расстояния может содержать два чувствительных элемента для фиксации моментов прохождения мимо них ферромагнитного элемента, разнесенных на указанное фиксированное расстояние вдоль трубчатого канала для перемещения ферромагнитного элемента, и соединенное с ними средство для определения интервала времени между указанными моментами. Возможно и такое выполнение устройства, при котором средство для измерения времени прохождения объектом измерения фиксированного расстояния содержит два чувствительных элемента для фиксации моментов прохождения мимо них средства для размещения объекта измерения, разнесенных на указанное фиксированное расстояние вдоль трубчатого канала для перемещения объекта измерения, и соединенное с ними средство для определения интервала времени между указанными моментами. Оба этих выполнения эквивалентны с точки зрения указанного выше технического результата. Возможность выбора любого из этих частных случаев выполнения позволяет реализовать те или иные предпочтения при осуществлении устройства в зависимости от конкретных технологических условий его изготовления и предстоящего использования.
В предлагаемом устройстве средство для определения продолжительности интервала времени между моментами прохождения средства для размещения объекта измерения или ферромагнитного элемента мимо соответствующих чувствительных элементов может быть включено в состав вычислительного средства для определения искомой массы по результатам измерения. Данное выполнение устройства и выполнение, при котором средство для определения продолжительности указанного интервала времени конструктивно не совмещено с вычислительным средством, эквивалентны с точки зрения указанного выше технического результата. Выбор того или иного выполнения определяется предпочтениями специалиста, проектирующего устройство, в зависимости от конкретных условий предстоящего его изготовления и использования.
В любом из описанных выше частных случаев выполнения предлагаемого устройства трубчатый канал для перемещения объекта измерения и трубчатый канал для перемещения ферромагнитного элемента могут быть установлены так, что один из них является продолжением другого. Возможно и такое выполнение, при котором указанные трубчатые каналы установлены параллельно друг другу. В этом случае гибкая нерастяжимая нить перекинута из одного трубчатого канала в другой через один или несколько блоков. Оба этих выполнения также эквивалентны с точки зрения указанного выше технического результата, однако второй позволяет уменьшить продольный габарит устройства. При этом, поскольку во втором выполнении объект измерения может находиться на меньшем расстоянии от постоянного магнита, целесообразно применение магнитного экранирования, если предполагается использование устройства для измерения масс объектов, обладающих ферромагнитными свойствами. Для этого либо может быть установлен магнитный экран между двумя трубчатыми каналами, либо трубчатый канал для перемещения объекта измерения может быть выполнен из материала, экранирующего магнитное поле. Как и в описанных выше случаях, выбор того или иного выполнения определяется предпочтениями специалиста, осуществляющего проектирование с учетом конкретных условий производства и эксплуатации устройства, а наличие возможности такого выбора расширяет диапазон условий эксплуатации, для которых может быть осуществлено проектирование предлагаемого устройства.
Конструкция предлагаемого устройства, его работа и использование иллюстрируются фиг.1-3, на которых представлены:
- на фиг.1 - конструктивная схема устройства в частном случае его выполнения, при котором трубчатые каналы установлены так, что один из них является продолжением другого;
- на фиг.2 - конструктивная схема устройства в частном случае его выполнения, при котором трубчатые каналы установлены параллельно друг другу;
- на фиг.3 - вид зависимости силы притяжения ферромагнитного элемента постоянным магнитом от расстояния между ними;
- на фиг.4 - вид зависимости между определяемой массой и измеряемым интервалом времени.
Устройство, показанное на фиг.1 и 2, содержат трубчатые каналы 1 и 2. На фиг.1 каналы 1 и 2 расположены так, что их осевые линии совпадают и канал 2 является продолжением канала 1. Условная граница между ними обозначена на фиг.1 позицией 21. На фиг.2 каналы 1 и 2 расположены параллельно друг другу и жестко соединены с помощью элементов 22.
В обоих случаях в канале 1, предназначенном для перемещения объекта измерения 4, расположено средство 3 для размещения объекта 4, масса которого подлежит измерению. Средство 3 выполнено в виде направляющего стакана, который может скользить своими стенками по внутренней поверхности трубчатого канала 1 и перемещаться вдоль него. Устройство содержит также ферромагнитный элемент 6, тоже выполненный в виде стакана и расположенный в трубчатом канале 2, предназначенном для перемещения этого элемента. Он может скользить своими стенками по внутренней поверхности канала 2 и перемещаться вдоль него.
Средство 3 для размещения объекта измерения связано гибкой нерастяжимой нитью 7 с ферромагнитным элементом 6. При выполнении, показанном на фиг.1, нить 7 расположена вдоль совпадающих осевых линий каналов 1 и 2, а при выполнении, показанном на фиг.2, она перекинута через систему блоков 11. В этом случае части нити 7, находящиеся в пределах каналов 1 и 2, тоже расположены вдоль их осевых линий. В составе устройства по фиг.2 достаточно иметь один блок, если его диаметр примерно равен расстоянию между осевыми линями каналов 1 и 2.
Позиции 3 и 6 на фиг.1 и 2 показывают положения соответственно средства для размещения объекта измерения и ферромагнитного элемента в исходном состоянии, т.е. до начала процесса измерения. Для обеспечения возможности размещения объекта измерения в средстве 3 трубчатый канал 1 имеет окно 25 в своей нижней по фиг.1 и 2 части.
В верхнем по фиг.1 и нижнем по фиг.2 конце канала 2 расположен постоянный магнит 5. Благодаря наличию нити 7 средство 3 и ферромагнитный элемент 6 под воздействием на последний силы притяжения со стороны магнита 5 могут синхронно перемещаться соответственно вдоль каналов 1 и 2: средство 3 - вверх по фиг.1 и фиг.2, а элемент 6 - вверх по фиг.1 и вниз по фиг.2. Позициями 3' и 6' на фиг.1 и фиг.2 показано их положение, соответствующее к предельному состоянию, которое может быть достигнуто ими, а позицией 7' обозначено соответствующее положение гибкой нерастяжимой нити. Длина нити 7 выбрана таким образом, что ферромагнитный элемент 6 в исходном положении расположен в конце трубчатого канала 2, противоположном концу, в котором установлен постоянный магнит 5.
Для обеспечения безударного торможения при достижении предельного состояния средством для размещения объекта измерения и ферромагнитным элементом 3 в каналах 1 и 2 установлены амортизирующие элементы 19 и 9 соответственно.
Кроме того, устройство содержит средство 10 для фиксации средства для размещения объекта измерения в исходном положении и освобождения его в момент начала измерения, а также средство для измерения времени прохождения объектом измерения 4 фиксированного расстояния R. Последнее содержит чувствительные элементы 8 и средство 11. Чувствительные элементы 8 расположены вблизи концов канала 2 на расстоянии R друг от друга и фиксируют моменты прохождения мимо них ферромагнитного элемента 6. Соединенное с ними средство 11 предназначено для определения интервала времени между указанными моментами и формирует результат измерения времени прохождения элементом 6 (а следовательно, и объектом измерения 4) указанного фиксированного расстояния R.
Возможно также размещение чувствительных элементов 8 вблизи концов канала 1 (на чертежах не показано). В этом случае они фиксируют моменты прохождения мимо них непосредственно средства 3 с объектом измерения 4.
Чувствительные элементы 8 могут быть построены на основе оптронных пар, а определение интервала времени в средстве 11 может быть реализовано, например, путем подсчета импульсов с фиксированной частотой повторения, заполняющих измеряемый интервал.
Для возврата в исходное состояние устройство может быть снабжено, например, продольной щелью в стенке канала 1 (на чертежах не показана) и штифтом 23, установленным на средстве 3 для размещения объекта измерения и выходящим из канала 1 наружу через указанную щель.
Средство 10 для фиксации средства для размещения объекта измерения в исходном положении и освобождения его в момент начала измерения и средство 11 для определения интервала времени между моментами, зафиксированными чувствительными элементами 8, соединены с вычислительным средством 12. Последнее выполнено с возможностью определения искомой массы объекта измерения 4 по измеренному значению интервала измерения времени прохождения объектом измерения 4 фиксированного расстояния R. Эквивалентным вариантом выполнения устройства может быть такой, при котором вычислительное средство 12 выполняет также функцию средства 11 по определению интервала времени между сигналами чувствительных элементов 8. Эта возможность отражена на фиг.1 и фиг.2 тем, что средство 8 и вычислительное средство 12 заключены в общую рамку и образуют единый узел 13.
Устройство может дополнительно содержать средство 20 для фиксации ферромагнитного элемента в исходном положении и освобождения его в момент начала измерения, аналогичное средству 10. При наличии средства 20 это средство соединено с вычислительным средством 12 или со средством 10 и срабатывает одновременно с последним. В качестве средств 10 и 20 могут быть использованы электрически управляемые устройства для арретирования (разарретирования).
Предлагаемое устройство используется и работает следующим образом. Объект измерения размещают в средстве 3, используя окно 25 в стенке канала 1. Для измерения масс различного консистентного состава и объема могут быть использованы контейнеры, имеющие известную массу. Средство 3 фиксируют в исходном положении с помощью средства 10. Затем подают команду на начало измерения, в результате выполнения которой происходит освобождение средства 3 средством 10. Команда может быть инициирована оператором и формироваться либо в средстве 10, либо в вычислительном средстве 12. В обоих случаях вычислительное средство 12 по этой команде подготавливается к обработке результата измерения интервала времени средством 11.
Приведенное выше описание подготовки устройства к началу измерения предполагает наличие в нем средства 10 для фиксации средства для размещения объекта измерения в исходном положении. Однако возможен и менее автоматизированный вариант управления устройством, при котором удерживание в исходном положении средства 3 для размещения объекта измерения осуществляется "вручную", например, путем воздействия на штифт 23, а при его отсутствии - непосредственно на средство 3 через упоминавшуюся выше продольную щель в стенке трубчатого канала 1 или через окно 25.
После освобождения средства 3, удерживавшегося до этого средством фиксации 10 или "вручную", начинается движение системы: средство 3 - нить 7 - ферромагнитный элемент 6 под воздействием на элемент 6 силы притяжения, создаваемой магнитом 5. В случае выполнения, показанном на фиг.2, в движение приводятся также блоки 11, через которые перекинута нить 7. В процессе перемещения ферромагнитного элемента 6 последний проходит мимо чувствительных элементов 8, и средство 11 определяет интервал времени, соответствующий перемещению объекта измерения на расстояние R между этими элементами. Движение заканчивается в момент упора средства 3 с объектом измерения 4 и ферромагнитного элемента 3 в амортизирующие элементы 19 и 9. Вычислительное средство 12 производит преобразование результата измерения интервала времени в значение массы объекта измерения 4 в соответствии с хранимой в его памяти зависимостью между массой объекта измерения и измеренным значением указанного интервала времени. Эта зависимость может быть получена, например, экспериментально-расчетным путем. Для этого сначала снимают зависимость силы притяжения между конкретными используемыми в устройстве постоянным магнитом 5 и ферромагнитным элементом 6 от расстояния между ними, а затем с использованием этой зависимости интегрируют дифференциальное уравнение движения системы: средство 3 с объектом измерения 4 - нить 7 - ферромагнитный элемент 6 с учетом непостоянства ускорения, обусловленного непостоянством силы притяжения, зависящей от расстояния. Для случая выполнения устройства, иллюстрируемого фиг.2, учитывают также моменты инерции блоков 11 относительно осей их вращения.
Вид полученной экспериментально зависимости силы F притяжения от расстояния r показан на фиг.3. Эта зависимость близка к обратной кубической:
макс
мин
где F - сила, соответствующая минимальному расстоянию r, b - постоянный коэффициент.
Зависимость между измеренным значением интервала времени и массой объекта измерения (фиг.4) близка к квадратичной:
0
0
0
макс
мин
где M - искомая масса, t - результат измерения интервала времени, соответствующего перемещению объекта измерения на расстояние R между элементами 8, t - интервал времени, соответствующий перемещению на то же расстояние объекта с известной эталонной массой M. Последняя включает массы средства 3 для размещения объекта измерения, ферромагнитного элемента 6 и нити 7, а при выполнении устройства согласно фиг.2 коэффициент M учитывает также моменты инерции блоков 11. Следует отметить, что при зависимости силы F притяжения от расстояния r, выражаемой соотношением (1), на вид зависимости (2) не влияют свойства конкретных магнита 5 и ферромагнитного элемента 6, от которых зависят параметры F, r и b в выражении (1). Это является важным фактором, обусловливающим повышение точности измерения.
По окончании процесса измерения массы средство для размещения объекта измерения находится в положении, соответствующем позиции 3' на фиг.1 и фиг.2, а штифт 23 - в положении, соответствующем позиции 23'. Средство для размещения объекта измерения и вместе с ним ферромагнитный элемент могут быть перемещены из положений 3' и 6' соответственно в положения 3 и 6 путем нажатия на штифт, который при этом переместится из положения 23' в положение 23. Возможно использование предлагаемого устройства и при выполнении его без штифта 23. В этом случае для приведения устройства в исходное состояние достаточно воздействовать на средство для размещения объекта измерения, находящееся по окончании измерения в положении 3', любым предметом через не показанную на чертежах продольную щель в стенке трубчатого канала 1.
Устройство может быть использовано для проведения измерений инертной массы объектов на космических аппаратах в орбитальном движении при условии малых гравитационных (микрогравитация) и инерционных (например, вращательное движение) составляющих ускорений, а также в гравитационных полях, отличных от земных. В последнем случае устройство должно быть ориентировано продольными осями каналов 1 и 2 ортогонально к градиенту гравитационного поля. Точность измерения в этом случае будет несколько хуже, чем в условиях невесомости, из-за большего трения средства 3 и ферромагнитного элемента 6 о стенки каналов 1 и 2.
Источники информации
1. Патент ФРГ №4211760, опубл. 19.08.1993.
2. Патент ФРГ №4216279, опубл. 06.05.1993.
3. Патент США №5902964, опубл. 11.05.1999.
4. Патент США №6756548, опубл. 29.06.2004.
5. Авторское свидетельство СССР №981831, опубл. 18.12.1982.
6. Авторское свидетельство СССР №964472, опубл. 10.10.1982.
7. Авторское свидетельство СССР №518639, опубл. 22.07.1976.
8. Патент Российской Федерации №2199003, опубл. 20.02.2003.