Датчик силы дифференциального типа

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения сил сжатия и растяжения.
Среди множества первичных преобразователей силы (Проектирование датчиков для измерения механических величин / Под ред. Е.П. Осадчего, - М.: Машиностроение, 1979, - 480 с.) важное место занимают струнные преобразователи. Достаточно высокая частота собственных колебаний обеспечивает необходимое быстродействие. Частотный выходной сигнал надежно квантуется, что удобно для цифровой обработки первичной информации.
Применяют режим свободных колебаний при ударном возбуждении (патент RU 163380 U1, опубл. 20.07.2016).
Известные конструкции струнных преобразователей силы обладают низкой достоверностью результата измерения, поскольку не учитывают влияние внешних факторов - температуры, изменения свойств материала струны обусловленных старением, а также эффекта «выползания» струны из заделки в процессе эксплуатации.
В качестве прототипа принят вибрационно-частотный динамометр по патенту республики Беларусь BY13392C1 МПК C01L 1/10, опубл. 2010.06.30.
Датчиковая часть вибрационно-частотного динамометра выполнена на основе магнитопроводной струны прямоугольного сечения. Струна основанием разделена на два одинаковых участка. Имеется устройство натяжения, представленное двумя упругими элементами, которые соединены с концами струны. Каждый участок струны снабжен системой возбуждения автоколебаний в составе возбудителей и датчиков колебаний. Измеряемая сила прикладывается к упругим элементам, что приводит к изменению текущего натяжения струны, соответственно к изменению частот колебаний участков. В рассматриваемом динамометре предусмотрена компенсация влияния температуры с применением датчика температуры. Первичная информация обрабатывается микропроцессором. Алгоритм работы микропроцессора в описании к патенту не раскрыт.
В этом динамометре не учитывается влияние старения материала струны и эффект «выползания» струны из заделки. Устройство натяжения нерегулируемое, поэтому технология первичной настройки на расчетную частоту очень трудоемка.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение достоверности результата измерения.
Решаются задачи:
1. Разработка простой и высокотехнологичной конструкции, обеспечивающей достоверную информацию:
- при измерении как сжимающих, так и растягивающих сил;
- минимизирующей влияние на результат измерения внешних факторов.
2. Обоснование принимаемых решений.
Указанный технический результат достигается тем, что датчик силы дифференциального типа, содержащий основание, соединенную с ним разделенную на два равных участка струну прямоугольного сечения из магнитопроводного материала, один конец которой соединен с устройством натяжения, при этом каждый участок струны связан с системой возбуждения автоколебаний, снабжен упругим шарниром, подвижный элемент которого соединен со струной в зоне раздела участков, и передающим рычагом П-образной формы, первый конец которого соединен с подвижным элементом упругого шарнира, а второй является элементом, воспринимающим измеряемую силу, при этом другой конец струны закреплен на основание датчика, при этом устройство натяжения струны выполнено регулируемым в составе поворотного шарнира, подвижная часть которого имеет Т-образную форму, при этом на одном элементе подвижной части защемлен первый конец плоской пружины натяжения, второй элемент подвижной части связан с регулированным винтом, а третий элемент содержит вал поворота, при этом второй конец плоской пружины натяжения снабжен бобышкой для закрепления конца струны, а упругий шарнир выполнен в виде двух плоских параллельно расположенных, одним концом защемленных на основании датчика плоских пружин, несущих на концах подвижный элемент. В датчике силы дифференциального типа система возбуждения автоколебаний выполнена из двух функциональных устройств - блока магнитной цепи и схема формирования импульсов привода, при этом блок магнитной цепи содержит намотанную на каркас в форме тела вращения двухсекционную электрическую катушку, которая охвачена двумя плоскими магнитопроводами, которые соединены между собой размещенной в центральном отверстии каркаса магнитопроводной стяжкой, при этом концы магнитопроводов образует со струной одинаковые зазоры, а схема формирования импульсов привода выполнена на биполярном транзисторе, эмиттер которого соединен с общей шиной, содержит резистор и конденсатор, первые выводы которых подключены к базе транзистора, первая секция электронной катушки блока магнитной цепи подключена между базой транзистора и эмиттером, первый вывод второй секции электрической катушки и второй вывод резистора подключены к шине электропитания, а второй вывод второй секции электрической катушки и второй вывод конденсатора подключены к коллектору транзистора с образованием выходной шины.
Устройство предлагаемого датчика силы поясняется чертежами.
Фиг. 1. Конструктивная схема датчика силы.
Фиг. 2. Конструкция упругого шарнира с передающим рычагом.
Фиг. 3. Вид А по фиг. 1.
Фиг. 4. Конструкция блока магнитной цепи системы возбуждения автоколебаний.
Фиг. 5. Электрическая принципиальная схема формирования импульсов привода.
Фиг. 6. Расчетная схема.
Принятые обозначения
1. Основание
2. Верхняя пластина
3. Нижняя пластина
4, 5. Винты крепления пластин 2, 3
6, 7. Резьбовые отверстия основания для крепления датчика на объекте исследования
8. Струна
9-11. Накладки крепления струны
12-14. Винты накладок
15. Бобышка устройства натяжения
16. Упругий шарнир
17. Плоская пружина устройства натяжения
18. Винты заделки пружины 17
19. Подвижная часть шарнира устройства натяжения
20. Винты бобышки 15
21. Паз нижней пластины 3
22. Сквозное резьбовое отверстие в поворотной части 19
23. Неподвижная часть шарнира устройства натяжения
24. Винт-ось (2 шт.) шарнира устройства натяжения
25. Винты крепления неподвижной части 23
26. Винт регулировки начального натяжения струны
27. Передающий П-образный рычаг
28, 29. Плоские пружины упругого шарнира
30, 31. Винты заделки пружины 28, 29
32. Колодка заделки пружины 28, 29
33. Резьбовые отверстия колодки 32
34. Винты крепления бобышки 35
35. Бобышка (подвижный элемент) упругого шарнира
36. Резьбовые отверстия бобышки
35 для крепления накладки 10
37. Блок магнитной цепи системы возбуждения автоколебаний
38. Каркас (шпуля) электрической катушки блока магнитной цепи
39. Магнитопроводная стяжка
40, 41. Магнитопроводы блока магнитной цепи
42, 43. Крепежные отверстия магнитопроводов 40, 41
44. Электрический разъем
45. Монтажные провода.
Функциональные элементы датчика смонтированы в корпусе, который состоит из основания 1 из немагнитопроводного материала и двух стальных пластин - верхней 2 и нижней 3 (здесь и далее ориентация чертежа). Пластины 2, 3 соединены с основанием винтами 4, 5. Для закрепления датчика на объекте исследования в основании 1 предусмотрены два резьбовых отверстия 6, 7. Струна 8 выполнена из магнитопроводной ленты прямоугольного сечения и закреплена посредством накладок 9-11 и винтов 12-14 в трех точках. Верхнее крепление осуществляется непосредственно на пластине 2, нижнее - на бобышке 15 устройства натяжения. Средняя точка струны соединена с упругим шарниром 16.
Устройство натяжения (см. фиг. 3) основано на плоской пружине 17, которая винтами 18 защемлена на подвижной части 19 Т-образной формы поворотного шарнира. На консольной части пружины 17 винтами 20 закреплена бобышка 15. Поворотная часть 19 шарнира размещена в пазу 21 нижней пластины 3 и имеет сквозное резьбовое отверстие 22. Неподвижная часть 23 шарнира имеет вилочную форму с двумя соосными отверстиями, в которые входят стандартные элементы винт-ось 24, образующие вал поворота. Неподвижная часть 23 винтами 25 закреплена на пластине 3. Для регулирования натяжения струны предусмотрен винт 26 (фиг. 1).
Упругий шарнир 16 средней части струны представляет собой направляющую поступательного перемещения рычага 27 передающего измеряемую силу. Передающий рычаг 27 имеет П-образную форму, его нижний отгиб соединен с подвижным элементом упругого шарнира. Измеряемая сила воспринимается верхним отгибом рычага. Для обеспечения кинематической связи с объектом исследования на верхнем отгибе могут выполняться вспомогательные элементы формы, например резьбовые отверстия. П-образная форма передающего рычага позволяет совместить направление измеряемый силы с осевой линией струны, что исключает крутящий момент в заделке средней точки струны. Основу шарнира 16 составляют две плоские пружины 28, 29, которые винтами 30, 31 закреплены на колодке 32, закрепленной винтами на основании 1 с использованием резьбовых отверстий 33. На консольной части пружин винтами 34 присоединена бобышка 35, имеющая резьбовые отверстия 36 для присоединения накладки 10. Рычаг 27 и бобышка 35 выполнены в виде единой детали.
При конструировании упругого шарнира за счет геометрических параметров и материала пружин обеспечивают малую изгибную жесткость в направлении осевой линии струны и большую вращательную жесткость. При этих условиях и с учетом высокого значения силы натяжения струны позиционной погрешностью можно пренебречь.
о
и
о
и
В датчике предусмотрены два канала возбуждения автоколебаний, каждый из которых содержит блок магнитной цепи 37 (фиг. 4) и схему формирования импульсов привода (фиг. 5). Блок магнитной цепи выполнен в виде отдельной сборочной единицы. Он содержит бифилярную электрическую катушку с секциями W и W намотанную на цилиндрическую шпулю (каркас) 38. Посредствам стяжки 39 из магнитопроводного материла шпуля с обмоткой соединена с плоскими магнитопроводами 40, 41. Отгибы магнитопроводов с отверстиями 42, 43 предназначены для крепления на основании 1. Обращенные к струне концы магнитопроводов сформированы по ширине сечения струны и образуют с ней постоянный зазор. Полагая, что предлагаемый датчик силы будет работать в составе измерительной системы, отнесем схему формирования импульсов привода к этой системе. В другом варианте исполнения электронные компоненты привода могут быть установлены методом навесного монтажа на основании 1 датчика. Для обеспечения связи между блоками предусмотрен электрический разъем 44, контакты которого соединены с обмотками W и W монтажными проводами 45. Монтажные провода пропущены в отверстия основания 1, по внешней поверхности уложены в пазы с последующим закреплением компаундом.
о
и
и
Схема формирования импульсов привода выполнена на биполярном транзисторе VT, эмиттер которого соединен с общей шиной. Она содержит резистор R и конденсатор С, первые выводы которых подключены к базе транзистора. Резистор R предназначен для смещения рабочей точки, транзистора в середину его активной области, а конденсатор С - для сбоя высокочастотной паразитной генерации. Первая секция электрической катушки (катушка освобождения W) блока магнитной цепи 37 включена между базой транзистора и эмиттером. Первый вывод второй секции электрической катушки (катушка импульса W) и второй вывод резистора подключены к шине электропитания Е, а второй вывод катушки W и второй вывод конденсатора подключены к коллектору транзистора с образованием выходной шины.
ов
Системы возбуждения автоколебаний участков струны работают автономно. При включении электропитания Е фронтом тока в катушках блока магнитной цепи создается магнитный импульс по цепи: магнитная стяжка 39 - магнитопроводы 40, 41 - зазоры - струна 8. Взаимодействие поля с магнитопроводной струной обеспечивает ее смещение. Далее начавшиеся колебания струны моделируют магнитный поток Ф и в катушках индуцируется ОДС. ЭТС катушки освобождения ω витков равна
и
Положительной полуволной этой ЭДС открывается транзистор и по катушке W проходит импульс тока, компенсирующий потери энергии при колебаниях струны.
ов
он
При сборке датчика смещением в пределах зазора крепления упругого шарнира добиваются равенства длин участков струны. Контроль этой операции ведут, измеряя собственные частоты участков - верхнего f и нижнего f
где m, l - соответственно масса и длина участка струны.
ов
он
о
Расчетное начальное значение частот f, f реализуют начальным натяжением F струны путем поворота винта 26 устройства натяжения. И из теории колебаний (Шарыгин Л.Н., Сорокин А.А. Автоколебательные системы в средствах измерения и контроля: учебное пособие. Владимир: изд-во Атлас, 2016. 205 с. ISBN 978-5-903087-53-2) известно, что каждой конструкции колебательного звена соответствует определенный диапазон собственных стабильных частот, определяемый добротностью колебательного звена. Применительно к рассматриваемому датчику силы начальные собственные частоты участков струны (2) должны соответствовать середине диапазона возможных частот участков струны.
u
Рассмотрим случай измерения сжимающей силы F - сила приложена к рычагу 27 сверху вниз (см. фиг. 1). Алгебраическое сложение сил показывает, что текущее натяжение верхнего участка струны составит
А нижнего участка
Текущие значения частот будут равны: для верхнего участка струны
для нижнего участка
u1
На фиг. 6 приведены основной линией графики функций преобразования - формулы (5), (6). Приведено построение для фиксированного значения измеряемой сжимающей силы F. При построении графиков учтено, что
u1
u1
в1
н1
u1
u1
Примечательно к сжинающей силе в первом квадрате располагается график функции преобразования верхнего участка струны, а в третьем квадранте - нижнего участка. При условии (7) графики участков имеют полярную симметрию, поэтому графические отрезки FB и - FH равны, соответственно отрезок разности частот f, f равен сумме отрезков FB и - FH.
u
Искомое значение измеряемой силы F может быть получено совместным решением уравнений (5), (6), или через разность квадратов частот
o
На фиг. 6 пунктирной линией показаны графики функций преобразования для случая появления внешних возмущающих факторов. Внешние факторы (температура, старение материала, эффект «выползания» струны из заделки) в конечном счете изменяют натяжение струны. Начальная частота становится равной f', при этом вид функций преобразования не изменяется - пунктирные графики получаются аддитивным смещением. Приведенное построение показывает равенство отрезков
следовательно, остается постоянной разность частот (равенство отрезков)
Приведенные доводы показывают высокую достоверность результата измерения силы с применением предлагаемого датчика. Основной выходной информационный параметр датчика - разность частот участков струны - не зависит от внешних влияющих факторов.
u
Обратимся к случаю измерения растягивающей силы F. Применительно к фиг. 1 направление растягивающей силы снизу вверх. Алгебраическое сложение сил показывает, что в этом случае текущее натяжение верхнего участка струны равно
а нижнего участка
Соответственно для случая растягивающей измеряемой силы частоты участков составляет
в
н
Для случая растягивающей силы разность частот (f - f) окажется отрицательной.
Если выполнить графическое построение, то в первом квадранте будет график функции преобразования нижнего участка струны, а в третьем - верхнего. Аналогичная картина будет для случая наличия внешних возмущающих факторов, логический вывод на достоверности результата измерения окажется таким же, как в случае сжимающей силы.
Сопряжение с датчиком устройство обработка первичной информации будет отражать на своем индикаторе величину (модуль) измеряемой силы и направление, например знаком плюс для сжимающей силы, а минус для растягивающей.
Пользуются предлагаемым датчиком силы следующим образом. Базируют датчик на объекте исследования таким образом, чтобы консольная часть передающего рычага 27 контактировала с элементом силы исследуемого объекта. Крепят датчик на объекте с использованием резьбовых отверстий 6, 7 основания 1. Присоединяют к электрическому разъему 44 кабель связи с устройством преобразования информационного сигнала датчика. Включают электропитание и производят измерение.
Таким образом, предлагаемый датчик силы дифференциального типа позволяет получить достоверную первичную информацию как о модуле, так и о направлении измеряемой силы. Форма информации в виде разности частот колебаний участков струны минимизирует влияние внешних возмущающих факторов. Измерение производится при малых перемещениях источника силы. За счет сравнительно высоких частот колебаний реализуется необходимое быстродействие. Конструкция датчика силы образована из простых по форме и высокотехнологичных деталей, что предполагает низкую себестоимость.