УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАТЯЖЕНИЯ ГИБКИХ ДЛИННОМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЙ
DEVICE FOR MEASURING TENSION OF FLEXIBLE LONG ITEMS

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля и индикации величины натяжения проводов, тросов (тяг, растяжек), различных опор, поперечных связей, буровых вышек, башен, мачт и антенн, а также тягово-тросовых систем различных механизмов без разрыва силовой схемы.
Известны измерители натяжения тросов, канатов, проводов и т.п. изделий:
«Устройство для измерения натяжения каната» - авторское свидетельство СССР на изобретение №375502;
«Устройство для измерения натяжения гибких элементов» - авторское свидетельство СССР на изобретение №540168;
«Устройство для измерения длины, скорости перемещения и натяжения кабеля» - патент РФ на изобретение №2052088;
«Устройство для измерения натяжения троса» - патент РФ на изобретение №2244275.
Общей чертой названных устройств является то, что они служат для проведения длительного мониторинга одного объекта измерения, например троса в геофизической скважине, т.е они стационарны и не предназначены для оперативного перемещения на другой объект.
Известны также переносные конструкции измерителей натяжения: «Устройство для измерения натяжения проводов и тросов» - патент РФ на полезную модель №82037;
«Устройство для измерения натяжения проводов и тросов» - патент РФ на полезную модель №99165;
«Устройство для измерения натяжения оттяжек опор воздушных линий электропередачи» - патент РФ на изобретение №2256891.
Однако указанные переносные измерители предусматривают проведение процедуры измерения диаметра троса перед определением силы натяжения.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является «Устройство для измерения натяжения троса или провода» - патент РФ на полезную модель №88145 патентообладателя Орлова С.М., включающее чувствительный элемент со встроенным тензодатчиком. На одном конце балки закреплена неподвижная опора, на другом - подвижная. Между концевыми опорами имеется неподвижная центральная опора типа «эксцентрик» со шкалой диаметров троса. Тензодатчик вмонтирован в конструкцию балки в районе концевой неподвижной опоры. К балке посредством кабеля присоединен измерительный блок в виде микроконтроллера.
Однако, вышеназванное устройство, как большая часть вышеописанных изобретений, требует предварительного определения диаметра (толщины) измеряемого изделия, что увеличивает время измерения и, что важнее, ведет к возникновению дополнительных погрешностей.
Задачей изобретения является повышение точности измерения силы натяжения гибких длинномерных конструкций при одновременном упрощении процесса измерения.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в устройстве для измерения натяжения гибких длинномерных изделий, включающем блок обработки, индикации и хранения информации, размещенный в протяженной балке со встроенным чувствительным элементом в виде тензодатчика и с тремя опорами - центральной и концевыми, рычажный элемент для создания изгиба измеряемого изделия, введен фиксатор положения на измеряемом изделии, при этом фиксатор и рычажный элемент установлены на центральной опоре, выполненной подвижной в направлении, перпендикулярном продольной оси, и с возможностью рабочего контакта центральной и концевых опор с измеряемым изделием по одну сторону от его продольной оси, а концевые опоры выполнены неподвижными.
Кроме того, заявляется также устройство с вышеописанными признаками, в котором фиксатор выполнен в виде скобы с винтовым прижимом.
Заявляется также устройство с вышеописанными признаками, в котором центральная и концевые опоры имеют форму желоба, ориентированного вдоль устройства и выполненного с полукруглым профилем.
Заявляется также устройство с вышеописанными признаками, в котором протяженность центральной опоры равна сумме протяженностей концевых опор.
Технический результат заключается в возможности измерения усилия натяжения без предварительного измерения диаметра (толщины) измеряемого изделия за счет контакта концевых и центральной опор с поверхностью изделия с одной от его продольной оси стороны. Это не только сокращает время, затрачиваемое на процесс измерения, но и уменьшает общую - суммарную погрешность измерения. Одновременно это повышает надежность работы измеряемых изделий и уменьшает вероятность возникновения аварийных ситуаций. Перечисленные преимущества приводят к повышению экономии времени и других ресурсов за счет упрощения процесса измерения и повышения его точности.
Заявляемое изобретение поясняется с помощью чертежей.
На Фиг.1 изображено устройство в исходном состоянии после фиксации на измеряемом изделии (тросе); на Фиг.2 - в рабочем состоянии. На Фиг.3 - направление сил в рабочем состоянии.
На Фиг.1, 2 позициями 1-7 обозначены:
1 - блок обработки, индикации и хранения информации;
2 - балка со встроенным чувствительным элементом;
3 - центральная опора; 4,5 - концевые опоры;
6 - рычажный элемент;
7 - фиксатор.
Заявляемое устройство для измерения натяжения гибких длинномерных изделий включает блок 1 обработки, индикации и хранения информации, размещенный внутри протяженной балки 2 со встроенным чувствительным элементом в виде тензодатчика в предусмотренной и сформированной для этого полости. В качестве блока 1 обработки, индикации и хранения информации может быть использован электронный блок названных назначений, конструируемый по принципам, изложенным в технической литературе (П. Хоровиц, У.Хилл Искусство схемотехники, «Мир», 1993; Ж. Аш и др. Датчики измерительных систем «Мир», 1992, т.1, с.18 и др.). В качестве блока 1 обработки индикации и хранения информации могут быть также использованы готовые устройства, например, весовой контроллер VT400 фирмы Vishay (http://www.vishaymg.com) или аналогичный ему. Балка 2 выполнена с тремя опорами - центральной 3 и концевыми 4, 5. Центральная опора 3 выполнена подвижной в направлении, перпендикулярном продольной оси, с возможностью рабочего контакта центральной 3 и концевых опор 4,5 с измеряемым изделием по одну его сторону от продольной оси. Концевые опоры 4,5 выполнены неподвижными. Устройство также включает рычажный элемент 6 для создания изгиба измеряемого изделия и фиксатор 7. Рычажной элемент 6 и фиксатор 7 установлены на центральной опоре 3.
В частном случае устройство может быть выполнено с фиксатором 7, например, в виде скобы с винтовым прижимом. Центральная 3 и концевые 4, 5 опоры могут быть выполнены в форме желоба, ориентированного вдоль устройства и выполненного с полукруглым профилем.
Заявляемое устройство работает следующим образом: включают питание и подготавливают к работе блок 1 обработки индикации и хранения информации. Поворачивают рычажный элемент 6 в крайнее правое положение. Устанавливают зазор между центральной опорой 3 и фиксатором 7, превышающий по величине диаметр (толщину) измеряемого изделия. При выполнении фиксатора в виде скобы с винтовым прижимом данное действие производят путем вращения против часовой стрелки рукоятки винтового прижима фиксатора 7. Помещают между центральной опорой 3 и фиксатором 7 измеряемое изделие. Зажимают измеряемое изделие между центральной опорой 3 и фиксатором 7. В этом случае данное действие производят путем вращения по часовой стрелке рукоятки винтового прижима фиксатора 7. Поворачивают рычажный элемент 6 в крайнее левое положение, обеспечивая изгиб измеряемого изделия. Данное положение рычажного элемента 6 соответствует положению измерения усилия натяжения гибкого длинномерного изделия. Считывают с индикатора блока 1 обработки, индикации и хранения информации результат измерения.
Заявляемое устройство было изготовлено и апробировано на одном из предприятий города Саратова.
При этом для уменьшения деформации измеряемого изделия при его контакте с опорами, каждая из них была выполнена в виде желоба, ориентированного вдоль устройства и выполненного с полукруглым профилем. По сравнению с роликом, используемым в наиболее близком аналоге, площадь контакта опоры и измеряемого изделия существенно увеличилась, снизив удельное давление опоры на измеряемое изделие. Кроме этого, протяженная форма контактной поверхности уменьшила влияние на точность измерения натяжения неравномерности поперечного сечения измеряемого изделия в виде троса или каната, скрученного из толстых нитей, вдоль его продольной оси.
Следует также отметить, что давление на измеряемое изделие, создаваемое центральной опорой, равно сумме давлений, создаваемых каждой из концевых опор. При равенстве длин всех трех опор деформация троса в зоне центральной опоры будет больше, чем в зоне любой из концевых опор. Это приведет к увеличению погрешности измерения натяжения. Поэтому для равномерного распределения давления на трос со стороны всех трех опор оптимальным является соотношение, при котором длина центральной опоры равна сумме длин концевых опор. Приведенное выше соотношение сил давления на трос со стороны опор вытекает из условия равновесия системы тел, находящихся в контакте друг с другом. Данное условие состоит в том, что сумма всех действующих на тело сил для его равновесия равна нулю (X. Кухлинг. Справочник по физике. «Мир». 1982 г., стр.35, Д. Берд. Физика. От теории к практике. «Додека», 2006 г., стр.65, К. Суорц. Необыкновенная физика обыкновенных явлений. «Наука». 1986 г., т.1, стр.88).
н1
н2
Для системы тел, состоящей из трех опор - центральной, первой концевой, второй концевой и измеряемого изделия - троса, находящегося с ними в контакте, условие равновесия состоит в том, что на центральную опору действует сила натяжения троса F, направленная вдоль троса, в направлении первой опоры и сила натяжения F, направленная вдоль троса, в направлении второй опоры см. Фиг.3.
н1
н2
н1
н2
цоп
цоп
н1
н2
1оп
н1
2оп
н2
Каждая из этих сил имеет проекцию на ось X (FSinά и FSinά) и проекцию на ось Y (FCosά и FCosά). При этом в соответствии с третьим законом Ньютона сила давления центральной опоры на трос - реакция центральной опоры R равна и противоположна по направлению силе давления троса на центральную опору, иными словами R=FSinά+FSinά. В то время, как реакция каждой из концевых опор равна только проекции на ось X силы натяжения троса, направленной в ее сторону от центральной опоры (R=FSinά или R=FSinά).
x
цоп
н1
н2
y
н1
н2
Условие равновесия по оси X выражается соотношением ΣF=0 или R-FSinά-FSinά=0, а условие равновесия по оси Y выражается соотношением Σ F=0 или FCosά-FCosά=0.
Их условия равновесия по оси X следует, что сила давления центральной опоры на трос равна сумме сил давления на него любой из концевых опор. По этой причине, с точки зрения равномерности распределения давления на трос со стороны опор, его длина должна быть равна сумме длин концевых опор.