УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ЭТАЛОННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДИНАМОМЕТР С ИМЕНОВАННОЙ ШКАЛОЙ

Заявляемая полезная модель относится к области испытательной техники, конкретно, к средствам поверки рабочих средств измерений силы [1,2].
Известны образцовые переносные динамометры растяжения и сжатия 3-го разряда механические типа ДОРМ, ДОСМ [3, 4], образцовые электрические типа ДОРЭ, ДССЭ [5, 6], эталонные электрические типа ДЭРЭ, ДЭСЭ [7, 8], а также механические универсальные типа ДОУ-1 [9] и электрические универсальные типа ДОУ-3-И [10, 11].
Динамометры типа ДОРМ и ДОСМ представляют собой упругий элемент в виде стального цилиндрического тела с механическим измерительным индикатором часового типа. Деформации, возникающие в упругом элементе под действием нагрузки, передаются промежуточным механизмом в увеличенном масштабе на индикатор. В связи с нелинейностью упругого элемента динамометры имеют условную шкалу и снабжаются тарировочной таблицей.
Динамометр типа ДОУ - 1 представляет собой стальную замкнутую квадратную рамку, внутри которой установлена пластинчатая пружина сложной формы, связанная посредством промежуточного механизма с индикатором часового типа. На противоположных углах квадратной рамки расположены опоры для установки динамометра при поверке испытательной машины в области сжатия, а на двух других противоположных углах рамки имеются приспособления для закрепления динамометра при помощи хвостовиков в захватах испытательной машины при
поверке ее на растяжение. Он также снабжается тарировочной таблицей как для области растяжения, так и для области сжатия.
Динамометр типа ДОУ-3-И имеет специальное назначение и представляет собой комплект из двух датчиков силы (растяжения и сжатия) и электронного блока. Упругий элемент датчика силы растяжения представляет собой металлическую пластину с поперечными относительно оси прикладываемого усилия вырезами и наклеенными в них тензорезисторами, а чувствительный элемент датчика силы сжатия выполнен в виде мембраны, на поверхности которой расположены тензорезисторы.
Конструкции динамометров ДОРЭ, ДОСЭ и ДЭРЭ, ДЭСЭ во многом схожи. Динамометры типа ДОРЭ и ДОСЭ представляют собой тензометрический датчик силы, соединенный кабелем с цифровым тензометрическим измерителем МИЦ-002. Они имеют предел допускаемой погрешности измерения ±0,5%. Динамометры типа ДЭРЭ и ДЭСЭ представляют собой тензометрический датчик силы растяжения или сжатия и электронный блок, соединенные между собой кабелем. В отличие от динамометров ДОРМ, ДОСМ, ДОУ-1 они имеют именованную шкалу и предел допускаемой погрешности измерения ±0,25%. Датчик силы динамометров ДЭРЭ и ДЭСЭ состоит из упругого трубчатого элемента с тензорезисторами, наклеенными на рабочую поверхность и объединенными в мостовую схему. Измеряемая сила растяжения через переходные элементы или сила сжатия через шаровую опору передается упругому элементу, деформируя его и тензорезисторы моста. Электрические сигналы, пропорциональные измеряемой силе, от тензометрического моста поступают на вход блока регистрации, где усиливаются, фильтруются, масштабируются и отображаются на цифровом индикаторе в именованных значениях.
При поверке испытательных машин образцовым (эталонным) динамометром он устанавливается в захваты в случае динамометров растяжения или между верхней и нижними плитами испытательной машины
в случае динамометров сжатия так, чтобы растягивающие или сжимающие усилия, прикладываемые к динамометру, были направлены по его оси. В соответствии с [2] динамометр нагружают и разгружают с остановками в 10-ти точках, соответствующих 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 и 100% предельного значения силы, измеряемой динамометром, после чего показания динамометра и силоизмерителя испытательной машины сравниваются и определяется погрешность измерения испытательной машины.
Наиболее близким аналогом заявляемому устройству являются динамометры эталонные 3-го разряда растяжения и сжатия электрические ДЭРЭ и ДЭСЭ [7].
Ближайший аналог, так же как заявляемая полезная модель, имеет упругий элемент в виде полого металлического стержня, на внешней стороне которого расположены тензорезисторы, образующие тензометри-ческий мост, нормирующий усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер и индикатор.
Недостатком аналога является необходимость иметь как минимум два электрических динамометра (растяжения и сжатия) со своими электронными блоками при поверке и калибровке универсальных испытательных машин в зонах растяжения и сжатия. Перечисленные динамометры имеют диапазон измерений от 0,1 до 1,0 наибольшего предельного измеряемого значения динамометра и соответственно позволяют поверять только один из диапазонов измерения силы испытательной машины. Для поверки всего диапазона измерения силы от 0,02 до 1,0 предельного значения [12] в зонах растяжения и сжатия с помощью рассмотренных динамометров их количество должно быть не менее четырех.
Целью заявляемой полезной модели является упрощение конструкции и расширение диапазона измерения динамометра.
Данная цель достигается за счет того, что при поверке и калибровке устройств измерения силы в зоне растяжения в упругий элемент динамометра с обеих сторон вкручиваются шпильки для его закрепления, а при поверке и калибровке устройств измерения силы в зоне сжатия на торец упругого элемента динамометра, имеющего сферическую поверхность, устанавливается опора, образующая со сферической поверхностью упругого элемента шаровое соединение; выход тензометрического датчика силы через нормирующий усилитель с дополнительным управляющим входом подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя, выходом соединенного со входом микроконтроллера, в задачу которого входит определение, в каком из десяти равномерно распределенных участков характеристики нагружения находится измеренное аналого-цифровым преобразователем значение и его знак, формирование соответствующего этому сигнала, поступающего на управляющий вход и изменяющего коэффициент усиления нормирующего усилителя; выходы микроконтроллера подключены к управляющему входу нормирующего усилителя и индикатору динамометра, а выход нормирующего усилителя в одном диапазоне измерения динамометра соединен с входом аналого-цифрового преобразователя непосредственно, а в другом диапазоне измерения динамометра подключен к входу аналого-цифрового преобразователя через усилитель с пятикратным коэффициентом усиления.
Таким образом, благодаря изменению конструкции упругого элемента и применению нормирующего усилителя с изменяемым коэффициентом усиления, переключаемым в десяти равномерно распределенных участках характеристики нагружения и использованию дополнительного усилителя с пятикратным коэффициентом усиления получаем универсальный динамометр, выполняющий функции двух динамометров растяжения и сжатия с расширенным диапазоном измерения.
Устройство динамометра поясняется структурной схемой, представленной на рисунке.
Схема универсального эталонного электрического динамометра включает в себя датчик силы 1, нормирующий усилитель 2, аналого-цифровой преобразователь 3, микроконтроллер 4, индикатор 5, усилитель 6 с пятикратным коэффициентом усиления.
Датчик силы 1 универсального динамометра имеет упругий элемент в виде полого металлического стержня с внутренней резьбой с обеих сторон и сферической поверхностью с одной из сторон. На внешней стороне стержня расположены тензорезисторы, образующие тензометрический мост.
При использовании динамометра в зоне растяжения в упругий элемент вкручиваются шпильки для закрепления динамометра в захватах испытательной машины. При использовании динамометра в зоне сжатия последний устанавливается между опорными плитами испытательной машины через шаровую опору, образуемую сферической поверхностью упругого элемента датчика и сопряженной с ним сферической опорой.
Нормирующий усилитель 2 осуществляет преобразование дифференциального входного сигнала в линейное выходное напряжение с коэффициентом усиления, задаваемым микроконтроллером 4.
Аналого-цифровой преобразователь 3 преобразует входное напряжение в цифровой код, поступающий в микроконтроллер 4, в задачу которого входит линеаризация характеристики датчика силы по результатам калибровки в 10 поверочных точках и индикация текущего значения силы на индикаторе 5.
Усилитель 6 с пятикратным коэффициентом усиления используется для расширения диапазона измерения динамометра.
Дифференциальный сигнал с выхода тензомоста датчика силы 1 поступает на нормирующий измерительный усилитель 2, который осуществляет преобразование дифференциального сигнала в линейное напряжение и его усиление. С выхода нормирующего усилителя 2 сигнал, пропорциональный измеряемой силе, поступает на вход аналого-цифрового
преобразователя 3 и считывается с него уже в цифровой форме в микроконтроллер 4 и далее отображается на индикаторе 5.
Предлагаемый динамометр работает следующим образом. При включении динамометра последний переходит в режим поверки. Режим поверки - основной режим работы динамометра. В этом режиме осуществляется поверка рабочих средств измерения при непрерывной индикации текущего значения силы, приложенной к датчику силы. Преобразованное датчиком силы 1 и предварительно масштабированное нормирующим усилителем 2 значение силы в виде цифрового кода считывается микроконтроллером 4 с аналого-цифрового преобразователя 3. После определения, к какому из 10-ти равномерно распределенных участков характеристики нагружения относится полученное значение, и какой знак оно имеет, происходит выборка коэффициента линеаризации из таблицы значений коэффициентов линеаризации и соответствующее значение посылается в нормирующий усилитель 2, где изменяет его коэффициент усиления.
Для расширения диапазона измерения динамометра введен дополнительный усилитель 6 с пятикратным коэффициентом усиления, подключаемый между нормирующим усилителем 2 и аналого-цифровым преобразователем 3 при проведении поверки испытательных машин в диапазоне малых усилий от 0,02 до 0,2 наибольшей предельной нагрузки динамометра. Переключение диапазонов производится микроконтроллером 4 путем подачи сигнала на управляющий вход усилителя 6, после чего выход последнего подключается ко входу аналого-цифрового преобразователя. При этом сигнал с датчика силы дополнительно усиливается в 5 раз, чем обеспечивается необходимое 50-ти кратное перекрытие диапазона измерения поверяемой испытательной машины одним динамометром [12].
Калибровка динамометра производится на эталонной силоизмерительной машине 2-го разряда. Для формирования таблицы коэффициентов
линеаризации производится запоминание текущих значений силы, измеряемых динамометром, в поверочных точках при последовательном нагружении динамометра на силоизмерительной машине. После того, как зафиксирована последняя точка, соответствующая максимальному значению силы конкретного динамометра, происходит запоминание в памяти значений рассчитанных коэффициентов, равных отношению истинного значения силы в поверяемой точке к измеренному.
Заявляемый динамометр лишен недостатков, имеющих место у рассмотренных аналогов: датчик силы динамометра имеет несложную конструкцию и расширенный диапазон измерения силы как в зоне растяжения, так и в зоне сжатия, обеспечивает поверку гидравлических и электрогидравлических испытательных машин во всем диапазоне измерения одним динамометром.
Кроме того, к преимуществам предлагаемого динамометра следует отнести считывание значений силы в именованных значениях, а также возможность встраивания динамометра в систему автоматической поверки и калибровки испытательных машин, снабженных электрическим силоизмерителем.
Использованные источники:
1. ГОСТ 9500-84. Динамометры образцовые переносные. Общие технические требования. М. Изд-во стандартов. 1984. С.5.
2. ГОСТ 8.287-78. Динамометры образцовые переносные 3-го разряда. Методы и средства поверки. М. Изд-во стандартов, 1979. С.10.
3. Государственный реестр средств измерений РФ. Динамометры растяжения и сжатия образцовые переносные 3-го разряда механические ДОРМ и ДОСМ №15811-96, №15812-96.
4. Динамометры образцовые переносные 3-го разряда растяжения (ДОРМ) и сжатия (ДОСМ) механические для поверки испытательных машин и прессов, http://www.mktsim.ru/product/dorm-dosm.html.
5. Государственный реестр средств измерений РФ. Динамометры растяжения и сжатия образцовые переносные 3-го разряда электрические ДОРЭ-3-И и ДОСЭ №15813-96, №15814-96.
6. Динамометры образцовые переносные 3-го разряда растяжения (ДОРЭ) и сжатия (ДОСЭ) электрического типа. http://www.niktsim.ru/product/dore-dose.html.
7. Государственный реестр средств измерений РФ. Динамометры растяжения и сжатия эталонные переносные 3-го разряда электрические ДЭРЭ-3-И и ДЭСЭ-3-И №25308-03.
8. Средства метрологического обеспечения. Динамометры эталонные переносные 3-го разряда растяжения (ДЭРЭ) и сжатия (ДЭСЭ). http://www.skbim.ru/.
9. Динамометр универсальный ДОУ-1. http://www.vnir.ru/mesl 5537-html.
10. Государственный реестр средств измерений РФ. Динамометры универсальные образцовые переносные 3-го разряда электрические ДОУ-3-И №27202-04.
11. Универсальный электрический динамометр ДОУ-3-И. http://www.npfipo.ru/dore.html.
12.ГОСТ 28840-90. Машины для испытания материалов на растяжение, сжатие и изгиб. Общие технические требования. М. Изд-во стандартов, 1991. С.10.