ИЗМЕРИТЕЛЬ ОСЕВЫХ СИЛ
METER OF AXIAL FORCES

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерениям осевых сил в цельностальной или канатно-пучковой арматуре защитных оболочек реакторных отделений АЭС, мостов, плотин, высотных зданий и сооружений, и может быть использована для измерений усилий нагружения различных конструкций и определения их массы.
Известно устройство измерения силы в напряженном канате, содержащее верхнюю и нижнюю силопередающие плиты с центральным отверстием для каната, расположенный между ними датчик силы, представляющий собой цилиндр из термообработанной стали, по наружной поверхности которого на одинаковом расстоянии друг от друга расположены восемь чувствительных струнных измерительных преобразователей, измеряющих величину упругой деформации цилиндра. С целью относительно равномерного распределения силы, приложенной к датчику, на его концах расположены кольцеобразные подкладки из мягкой стали. Средняя величина деформации, измеренная восемью струнными измерительными преобразователями, соответствует силе, приложенной к датчику (см., например, Проспект фирмы TELEMAC. Динамический датчик, тензодатчик CV-8, 1999 г.).
Однако это устройство измерения силы имеет погрешность, обусловленную тем, что локальные деформации, измеренные в восьми точках, не отражают полную картину деформации цилиндра датчика, а подкладки из мягкой стали не обеспечивают в полной мере равномерное распределение силы по площади цилиндра. Кроме того, при использовании датчиков силы на сотни, а тем более, тысячи тонн, для их калибровки требуются образцовые силозадающие машины.
Наиболее близким к предложенному техническому решению по технической сущности и достигаемому эффекту является измеритель осевых сил в канатно-пучковой арматуре, содержащий нижнюю и верхнюю силопередающие плиты с центральным отверстием, между которыми расположено силоизмеряющее устройство с электромагнитной системой. В качестве силоизмеряющего устройства используют несколько автономных струнных динамометров, имеющих корпус и чувствительный элемент в виде пластины с натянутой струной и электромагнитной системой (см., например, патент РФ №2527129 по кл. МПК G01L 5/10 от 27.08.2014 г.).
Струна каждого динамометра расположена перпендикулярно вектору прилагаемой силы. Каждый из динамометров имеет две сферические поверхности, одна их которых выпуклая и сформирована на шаровой подушке, а другая вогнутая и выполнена в пластине, контактирующей с шаровой подушкой. Пластина с натянутой струной и электромагнитной системой опирается на узкий выступ корпуса и жестко соединена с ним по внешнему контуру. В корпусе динамометра размещена схемная камера для струны и электромагнитной системы, а так же имеется боковое отверстие с герметичным разъемом.
К недостаткам описанной конструкции следует отнести недостаточные точность и надежность измерения силы, а также повышенные весо-габаритные характеристики, обусловленные конструктивным выполнением измерителя осевых сил. При перпендикулярном расположении струны динамометра к вектору прилагаемой силы напряжения в струне и элементах ее крепления тем больше, чем больше измеряемая сила, что приводит к более быстрому появлению деградационного отказа (уходу метрологических характеристик), то есть снижению надежности, а точность измерения силы снижается из-за невозможности использовать при калибровке (поверке) весь диапазон изменения частоты колебаний струны ввиду наличия коэффициента перегрузки измеряемой силы. Снижение точности измерения силы обусловлено также наличием гистерезиса, возникающего из-за перемещения чувствительного элемента по поверхности выступа корпуса.
Весо-габаритные характеристики измерителя определяются размерами силопередающих плит и динамометра, минимальные размеры которого определяются длиной струны и элементов ее крепления.
Целью изобретения является устранение указанных недостатков, повышение точности и надежности измерений и снижение весо-габаритных характеристик измерителя осевых сил.
Поставленная цель достигается благодаря тому, что в известном измерителе осевых сил, содержащем нижнюю и верхнюю силопередающие плиты с центральным отверстием, между которыми расположено силоизмеряющее устройство в виде нескольких струнных динамометров, имеющих корпус и чувствительный элемент в виде пластины с натянутой струной и электромагнитной системой, образующих канал измерения силы, в соответствии с данным предложением чувствительный элемент динамометра выполнен в виде многогранника с тремя гранями по меньшей мере, на каждой грани которого закреплена натянутая струна с электромагнитной системой, при этом оси струн совпадают с направлением вектора измеряемой силы.
Указанное выполнение измерителя осевых сил благодаря резервированию каналов измерения силы позволяет повысить точность и достоверность измерения силы в динамометре, а совмещение осей струн чувствительного элемента с вектором измеряемой силы позволяет уменьшить весо-габаритные характеристики измерителя в целом.
На фиг. 1 представлен общий вид измерителя, на фиг. 2 - общий вид динамометра, на фиг. 3 - чувствительный элемент динамометра.
Измеритель осевых сил содержит верхнюю 1 и нижнюю 2 силопередающие плиты в виде колец, между которыми симметрично центра их окружностей расположены динамометры 3, зафиксированные к кольцам технологическими винтами 4. Динамометры 3 закрыты кожухом 5, имеющим выходные разъемы 6. Верхнее кольцо имеет проточку 7, предназначенную для установки анкерного устройства крепления армопучка.
Каждый динамометр содержит подушку 8, выполненную в виде цилиндра, одна из торцевых поверхностей которого плоская, а другая имеет выпуклую сферическую поверхность, контактирующую с вогнутой сферической торцевой поверхностью корпуса 9. Корпус 9 также выполнен в виде цилиндра с внутренней полостью, расположенной со стороны другой торцевой поверхности. Корпус 9 со стороны полости опирается на основание 10, выполненное в виде цилиндра, в торцевой поверхности которого также имеется полость. Обе полости, в корпусе и основании, образуют единое пространство 11, внутри которого расположен чувствительный элемент 12. Вторая торцевая поверхность основания 10 выполнена в виде ступенчатой поверхности. Первая поверхность большего диаметра опирается на нижнее силопередающее кольцо 2 устройства, а во второй по центру имеется ступенчатое отверстие с резьбой. На боковой поверхности закреплен герметичный разъем 13, который через отверстие соединен с электромагнитными системами чувствительного элемента 12. Корпус 9 и основание 10 соосно жестко соединены между собой, например сваркой 14. Корпус 9 и подушка 8 фиксируются обоймой 15 и закрепляются винтами 16.
Чувствительный элемент 12 одним концом 17 заворачивается в резьбовое отверстие выступа 18, расположенного по оси корпуса 9 и закрепляется сваркой. Второй конец чувствительного элемента 12, выполненный в виде ступенчатого стержня 19, опирается на гайку 20 с наружной резьбой и отверстием по центру. Гайка заворачивается в ступенчатое отверстие по оси основания 10 до момента появления изменения частот колебаний струн и фиксируется к основанию сваркой, при этом стержень меньшего диаметра входит в отверстие гайки и фиксируется в ней сваркой.
Чувствительный элемент 12 представляет собой металлический стержень, на одном конце которого имеется резьба, а второй конец выполнен в виде ступенчатого стержня. Оставшаяся часть стержня выполнена в виде многогранника, на каждой грани которого располагается струна 21 и электромагнитная система 22. Для обеспечения свободных колебаний струны на поверхности каждой грани под струной имеется углубление. Струна закреплена на концах двумя планками 23, каждая из которых прижимается двумя винтами 24. Электромагнитная система 22 располагается над струной 21 посередине ее длины и содержит катушку индуктивности 25, прижимную планку 26 с двумя отверстиями по краям и одним по середине, две шпильки 27, каждая из которых имеет резьбу с упором с одного конца и внутреннее отверстие с резьбой с другого, стержень 28 из магнитомягкого материала с резьбой, который вворачивается в катушку индуктивности и фиксируется гайкой 29, и два винта 30, закрепляющих электромагнитную систему.
По обе стороны от электромагнитной системы 22, с целью снижения прилагаемой силы к чувствительному элементу 12 при его упругой деформации на каждой грани выполнены проточки, таким образом, оставшийся металл образует два полукольца 31. Это позволяет чувствительному элементу 12 оставаться в зоне упругой деформации при максимально допустимой перегрузке силы, действующей на динамометр. Чувствительный элемент 12 содержит не менее трех граней, следовательно, не менее трех струн 21 и трех электромагнитных систем 22. Калибровка (поверка) динамометра осуществляется на эталонной силозадающей машине. При этом каждая струна с электромагнитной системой рассматривается как самостоятельный измерительный канал силы с индивидуальной функцией преобразования девиации частоты затухающих собственных свободных колебаний струны в измеряемую силу. Измеряемая сила определяется выражением
F изм. дин.=(F1+F2+…+Fn)/n, где:
n - число измерительных каналов силы,
F1…n - сила, измеренная каналом измерения.
С целью повышения точности измерения силы динамометром можно использовать различные известные методы усреднения полученных по каждому каналу результатов измерения искомой силы.
Сила, измеренная измерителем осевых сил, равна сумме сил, измеренных каждым динамометром, а погрешность измерения равна среднеарифметической сумме погрешностей динамометров.