УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к измерениям осевых сил в цельностальной или канатно-пучковой арматуре защитных оболочек реакторных отделений АЭС, мостов, плотин, причалов, высотных зданий и сооружений, и может быть использована для измерений усилий преднапряжения различных конструкций и определения их массы.
Известен измеритель осевых сил в канатно-пучковой арматуре, построенный по принципу совокупных измерений и 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 также имеется боковое отверстие с герметичным разъемом.
К недостаткам описанной конструкции следует отнести недостаточные точность и надежность измерения силы, а также повышенные весогабаритные 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.
Весогабаритные характеристики измерителя определяются размерами силопередающих плит и динамометра, минимальные размеры которого определяются длиной струны и элементов ее крепления.
Наиболее близким к предложенному техническому решению по технической сущности и достигаемому эффекту является измеритель осевых сил, содержащий нижнюю и верхнюю силопередающие плиты с центральным отверстием, между которыми расположено силоизмеряющее устройство в виде нескольких струнных динамометров, имеющих подушку, корпус, основание и чувствительный элемент 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 (см., например, патент РФ №2584383 по кл. МПК G01L 5/10 от 12.01.2015 г.).
В данном динамометре чувствительный элемент одним концом закреплен к выступу, расположенному по оси корпуса, а вторым концом, выполненным в виде ступенчатого стержня, опирается на гайку с наружной резьбой и отверстием по центру. Гайка заворачивается в ступенчатое отверстие по оси основания и фиксируется к основанию сваркой, при этом стержень меньшего диаметра входит в отверстие гайки и фиксируется в ней также сваркой.
К недостаткам описанной конструкции следует отнести повышенные весогабаритные характеристики динамометров и как следствие всего измерителя осевых сил, обусловленные местом крепления второго конца чувствительного элемента. Все детали динамометра: подушка, корпус, основание, чувствительный элемент и особенно струны выполнены из высокопрочного металла, имеют практически одинаковый модуль упругости и под действием измеряемой силы (с учетом перегрузки) должны находиться в области упругой деформации. В целях повышения надежности и увеличения времени сохраняемости метрологических характеристик динамометров, как правило, струны чувствительного элемента натягиваются на величину, не превышающую значения 0,6-0,7 от максимальной величины зоны упругой деформации, в то время, как корпус и основание динамометра могут работать, практически, во всей этой зоне. Так как в данной конструкции динамометра в чувствительном элементе оси струн совпадают с направлением вектора измеряемой силы, а он фиксирует суммарную величину деформации корпуса и основания, то абсолютное значение деформации, фиксируемое между точками крепления чувствительного элемента, и является величиной деформации струн.
Согласно закону Гука, величина абсолютной деформации равна:
ΔL=F×L/E×A
где:
ΔL - величина абсолютной деформации;
F - сила, приложенная к детали;
L - длина нагружаемой детали;
Е - модуль упругости материала детали;
А - площадь сечения нагружаемой детали.
При заданных значениях силы F, модуля упругости Е и длины деталей в области приложения силы L, величина деформации струн, в основном, определяется площадью сечения корпуса и основания динамометра в области их внутренних полостей. Учитывая то обстоятельство, что величина деформации струны используется с коэффициентом 0,6-0,7, а суммарная длина деталей корпус и основание значительно больше длины струны, то для получения величины суммарной деформации деталей корпус и основание, равной величине деформации струны, площадь сечения этих деталей, находящихся под действием силы, должна быть существенно больше оптимальной (в 2÷3 раза). Это приводит к значительным завышениям весогабаритных характеристик динамометра и как следствие всего измерителя осевых сил. Это особенно критично при построении измерителей силы на сотни, а тем более, тысячи тонн. Весогабаритные характеристики являются особо важным параметром измерителей силы при использовании их для канатно-пучковой и цельностальной арматуры, так как они устанавливаются между узлом крепления арматуры и опорной плитой.
Задачей полезной модели является снижение весогабаритных характеристик устройства измерения силы.
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, расположенные соосно, подушку, корпус, основание и чувствительный элемент в виде многогранника с тремя гранями по меньшей мере, на каждой грани которого закреплена натянутая струна с электромагнитной системой, образующих каналы измерения силы, в соответствии с данной предложенной полезной моделью в полость, имеющуюся внутри корпуса и основания динамометра, помещен дополнительный элемент - опора, выполненная в виде цилиндра с внутренней полостью, внутри которой расположен чувствительный элемент, второй конец которого закреплен к торцевой поверхности опоры, а другая торцевая поверхностью опоры, со стороны полости, соосно прикреплена к ненагруженной части корпуса, входящей в полость основания.
Указанное выполнение устройства измерения силы благодаря креплению чувствительного элемента между выступом корпуса, расположенном по его оси, и торцевой поверхностью опоры позволяет чувствительному элементу, и соответственно струнам, под действием измеряемой силы фиксировать деформацию только корпуса динамометра, исключив из этого процесса основание. Это дает возможность существенно увеличить деформацию корпуса и основания (оставаясь в упругой зоне) путем уменьшения площади их сечения, что в свою очередь позволяет уменьшить весогабаритные характеристики динамометра и устройства в целом. Кроме этого, такое крепление чувствительного элемента позволяет более точно расположить его относительно оси корпуса динамометра.
На фиг. 1 представлен общий вид устройства, на фиг. 2 - общий вид динамометра, а на фиг. 3 - чувствительный элемент динамометра
Устройство измерения силы 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 арматурного пучка.
Каждый динамометр 3 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. Внутри полости корпуса 9 по его оси имеется выступ 10. Корпус 9 со стороны полости опирается на основание 11, выполненное в виде цилиндра, в торцевой поверхности которого также имеется полость, при этом выступ 12, расположенный на торцевой поверхности корпуса 9 входит в эту полость. Обе полости, в корпусе и основании, образуют единое пространство 13, внутри которого расположена опора 14, внутри которой, в свою очередь, расположен чувствительный элемент 15. Второй торцевой поверхностью, имеющей цилиндрический выступ 16, основание 11 опирается на нижнее силопередающее кольцо 2 устройства, а выступ 16 входит в его полость. Корпус 9 и основание 11 соосно жестко соединены между собой, например, сваркой 17. Корпус 9 и подушка 8 фиксируются обоймой 18 и закрепляются винтами 19.
Опора 14, выполненная в виде полого цилиндра, одним концом со стороны полости соосно жестко, например, сваркой 20, соединена с выступом 12 корпуса 9. Вторая торцевая поверхность опоры 14 выполнена в виде усеченного конуса с отверстием по оси для крепления чувствительного элемента 15.
Чувствительный элемент 15 выполнен в виде многогранника и содержит не менее трех граней, на каждой из которых располагается струна с электромагнитной системой, а его концы выполнены в виде стержней с резьбой. Одним концом 21 чувствительный элемент 15 заворачивается в резьбовое отверстие выступа 10 и закрепляется сваркой, а другим концом 22, входит в отверстие опоры 14 и фиксируется в ней с помощью фигурной гайки 23 соосно с корпусом 9. Заворачивая гайку 23, растягивают струны, закрепленные на чувствительном элементе 15, до достижения частотой колебания струн, выбранного максимального значения, а затем фиксируют ее положение к опоре 14 сваркой. Конец 22 чувствительного элемента 15 также фиксируют к гайке 23 сваркой. На каждой грани чувствительного элемента 15 располагается струна 24 и электромагнитная система 25. Для обеспечения свободных колебаний струны на поверхности каждой грани под струной имеется углубление. Струна закреплена на концах двумя планками 26, каждая из которых прижимается двумя винтами 27. Электромагнитная система 25 располагается над струной 24 посередине ее длины и содержит катушку индуктивности 28, прижимную планку 29 с двумя отверстиями по краям и одним по середине, две шпильки 30, каждая из которых имеет резьбу с упором с одного конца и внутреннее отверстие с резьбой с другого, стержень 31 из магнитомягкого материала с резьбой, который вворачивается в катушку индуктивности и фиксируется гайкой 32, и два винта 33, закрепляющих электромагнитную систему 25.
По обе стороны от электромагнитной системы 25, с целью снижения прилагаемой силы к чувствительному элементу 15 при его упругой деформации на каждой грани выполнены проточки, таким образом, что оставшийся металл образует два полукольца 34. Это позволяет чувствительному элементу 15 оставаться в зоне упругой деформации при максимально допустимой перегрузке силы, действующей на динамометр.
Каждая струна с электромагнитной системой чувствительного элемента рассматривается как самостоятельный измерительный канал силы с индивидуальной функцией преобразования девиации частоты затухающих собственных свободных колебаний струны в измеряемую силу. Сила, измеряемая динамометром, равна среднему значению силы, измеренной каждой струной, а сила, измеряемая устройством измерения сил, равна сумме сил, измеренных каждым динамометром. Так как чувствительный элемент содержит не менее трех измерительных каналов, то в данных динамометрах может быть применен метод метрологического диагностического самоконтроля, позволяющий при деградационном изменении показаний одного из каналов измерения силы, при этом показания двух других не изменяются, откорректировать его индивидуальную функцию преобразования девиации частоты колебаний струны таким образом, чтобы вернулось прежнее значение измеряемой силы. Это существенно повысит метрологическую надежность устройства измерения силы и увеличит величину его межповерочного интервала.