УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ Российский патент 1995 года по МПК G01L1/12 

Изобретение относится к области измерения сил, механических напряжений или крутящего момента путем измерения изменений магнитных свойств материалов.

Известно устройство измерения силы, содержащее преобразователь в виде нагружаемого сердечника из магнитоупругого материала с установленной на нем катушкой, источник питания переменного тока и измерительный прибор [1] При нагружении сердечника изменяются магнитные свойства и комплексное сопротивление катушки преобразователя, что приводит к изменению переменного тока в цепи питания, пропорциональному приложенному усилию.

Недостатки устройства низкая чувствительность и сложность преобразователя, обусловленная наличием катушки.

Наиболее близким к изобретению является устройство для измерения силы, содержащее магнитострикционный преобразователь, выполненный в виде корпуса с закрепленным на нем упругим сердечником из магнитострикционного материала, нагружаемым с образованием деформации кручения, измеритель переменного напряжения, электрически соединенный с концами упругого сердечника преобразователя, и источник питания переменного тока [2] Преобразователь также содержит катушку для перемагничивания сердечника, соединенную с источником питания. При деформации сердечника на его концах возникает переменное напряжение, пропорциональное измеряемой силе, которое регистрируется измерителем переменного напряжения.

Недостатком такого устройства является сложность, обусловленная наличием специального устройства перемагничивания (возбуждения) упругого сердечника преобразователя в виде катушки и ферромагнитного сердечника. Это в свою очередь ограничивает эксплуатационные возможности преобразователя.

Сущность изобретения состоит в том, что устройство для измерения силы содержит магнитострикционный преобразователь, выполненный в виде корпуса с закрепленным на нем упругим сердечником из магнитострикционного материала, нагружаемый с образованием деформации кручения, измеритель переменного напряжения, электрически соединенный с концами упругого сердечника преобразователя, и источник питания переменного тока. Последний выполнен в виде источника тока, причем его выводы также соединены с концами упругого сердечника преобразователя.

Кроме того, упругий сердечник магнитострикционного преобразователя выполнен в виде плоской двухзаходной спирали, внутренние концы которой закреплены на корпусе, изолированы друг от друга и электрически соединены с измерителем переменного напряжения, а наружные концы механически и электрически соединены между собой. Сердечник преобразователя может быть выполнен в виде плоской двухзаходной спирали, наружные концы которой закреплены на корпусе, изолированы друг от друга и электрически соединены с измерителем переменного напряжения, а внутренние концы соединены между собой посредством электропроводящего кольца, соосного со спиралью. Спирали могут быть залиты эластичным материалом, например полиуретаном, по всей плоскости между наружными и внутренними концами спирали.

Изобретение направлено на упрощение устройства и расширение области его применения. Упрощение устройства достигается за счет того, что вместо аксиального (с помощью катушки) перемагничивание сердечника преобразователя применено циркулярное перемагничивание путем пропускания переменного тока непосредственно по сердечнику. В этом случае отпадает необходимость в катушках возбуждения и специальных магнитопроводах, что обеспечивает упрощение преобразователя и уменьшение его габаритов. Кроме того, появляется возможность изготовления плоских, залитых защитным эластичным материалом сердечников, в частности, в виде мембран с внутренним отверстием для работы в агрессивных средах.

На фиг. 1 показана общая схема устройства для измерения силы; на фиг.2 преобразователь с сердечником в виде плоской двухзаходной спирали; на фиг.3 преобразователь с сердечником в виде двухзаходной спирали и отверстием, в центре; на фиг. 4 принципиальная электрическая схема устройства; на фиг.5 схема нагружения упругого сердечника; на фиг.6 зависимость показаний U измерителя от крутящего момента М упругого сердечника; на фиг.7 зависимость приращений напряжения на сердечнике преобразователя от перемещения его свободного конца.

Устройство для измерения силы (фиг.1) состоит из магнитострикционного преобразователя 1, выполненного в виде корпуса 2 с закрепленным на нем упругим сердечником 3 из магнитострикционного материала, и измерителя 4 переменного напряжения, подключенного к концам упругого сердечника. Источник питания представляет собой источник 5 тока, выполненный в виде источника 6 напряжения переменного тока и балластного резистора 7, и подключен к концам упругого сердечника. Последний выполнен изогнутым в плоскости, перпендикулярной измеряемой силе Р, с получением при нагружении (смещении свободного конца) деформации кручения.

Магнитострикционный преобразователь (фиг.2) имеет упругий сердечник 3 в виде плоской двухзаходной спирали из магнитострикционного материала, внутренние концы которой изолированы друг от друга, закреплены на корпусе 2 и электрически соединены с измерителем переменного напряжения (места присоединения на фиг.2 показаны точками). Наружные концы спирали механически и электрически соединены между собой с помощью электропроводящего кольца 8. Измеряемая сила Р воздействует на кольцо 8 (в частности, равномерно по окружности) в направлении, перпендикулярном плоскости спирали.

Упругий сердечник 3 магнитострикционного преобразователя (фиг.3) выполнен в виде плоской двухзаходной спирали, наружные концы которой закреплены а корпусе 2, изолированы друг от друга и электрически соединены с измерителем переменного напряжения (места присоединения на фиг.3 показаны точками), а внутренние концы соединены между собой посредством электропроводящего кольца 9, соосного со спиралью. Измеряемая сила Р прикладывается к кольцу 9 по нормали к плоскости спирали.

Измеритель 4 переменного напряжения устройства (фиг.4) может быть выполнен в виде повышающего трансформатора 10, вход которого подключен к упругому сердечнику 3, а выход соединен с амплитудным вольтметром, состоящим из пикового детектора (диод 11, конденсатор 12, резистор 13) и регистрирующего прибора (индикатора) 14.

Устройство для измерения силы (фиг.1) работает следующим образом.

Переменный ток от источника 5 питания протекает по упругому сердечнику 3 магнитострикционного преобразователя 1, при этом на концах сердечника возникает переменное напряжение, регистрируемое измерителем 4. Источник 5 питания выполнен в виде источника тока, состоящего из источника 6 переменного напряжения и балластного резистора 7, установленного последовательно с сердечником 3 преобразователя и значительно большего сопротивления, чем у упругого сердечника, благодаря чему ток в цепи практически не зависит от изменений сопротивления сердечника.

Под действием силы Р свободный конец сердечника 3 смещается относительно неподвижного корпуса 2, сердечник изгибается в направлении действия силы, но благодаря смещенному относительно оси концу испытывает также деформацию кручения. На фиг.5 показана схема нагружения упругого сердечника 3 крутящим моментом М, которая поясняет принцип действия устройства. Переменный ток i_в возбуждения от источника 5 тока, проходя по ферромагнитному сердечнику 3, образует в нем переменную циркулярную намагниченность m_ц. Последняя в свою очередь вызывает появление ЭДС самоиндукции на концах сердечника. Таким образом, сердечник может быть представлен в виде комплексного электрического сопротивления (включающего активную и реактивную составляющие) по аналогии с катушкой, охватывающей ферромагнитный сердечник. В отличие от катушки (где ток возбуждения и ЭДС самоиндукции связаны индуктивным контуром, а переменное магнитное поле создается в сердечнике вдоль его оси аксиальное магнитное поле) в рассматриваемом случае нет явно выраженного индуктивного контура, а переменный магнитный поток (в данном случае циркулярный) создается током, проходящим по тому же сердечнику, причем на концах этого сердечника возникает ЭДС самоиндукции. В результате напряжение на сердечнике зависит от величины тока возбуждения, его частоты и комплексного сопротивления сердечника. При отсутствии деформации (смещений свободного конца) сердечника измеритель 4 (фиг.5) фиксирует некоторое начальное напряжение U_о.

При нагружении сердечника моментом кручения М его магнитные свойства (в частности, циркулярная намагниченность m_ц) и комплексное сопротивление изменяются, а поскольку частота тока возбуждения и его амплитуда поддерживаются постоянными, происходит изменение напряжения на сердечнике. Экспериментально установлено, что, во-первых, циркулярная намагниченность в сердечнике из магнитострикционного материала с положительной магнитострикцией (например, из пермендюра) с увеличением момента М уменьшается. В связи с этим при нагружении сердечника падает его комплексное сопротивление и соответственно уменьшается напряжение U на нем. Во-вторых, снижение U от начального значения U_о происходит при любом знаке момента М, причем зависимость показаний измерителя от приложенного к сердечнику усилия (момента) симметрична по отношению к оси U, т.е. является четной (фиг.6). В-третьих, относительное приращение сигнала Δ U/U_о для сердечников, нагружаемых с получением деформации кручения, значительно (в 4-5 раз) больше, чем для сердечников из того же материала, нагружаемых простым изгибом.

Таким образом, выполнение источника питания переменного напряжения в виде источника тока и измерение напряжения на упругом сердечнике из магнитострикционного материала, нагружаемом с образованием деформации кручения, позволяют существенно упростить устройство при достаточно высокой чувствительности преобразователя.

Одним из вариантов высокочувствительного магнитострикционного преобразователя является устройство с упругим сердечником в виде плоской двухзаходной спирали 3 (фиг.2), внутренние концы которой электрически изолированы друг от друга и закреплены на корпусе 2 (они являются выходами преобразователя). Наружные концы спирали механически и электрически соединены между собой с помощью электропроводящего кольца 8. При воздействии силы Р на периферийную часть сердечника происходит кручение витков спирали и соответствующее изменение намагниченности сердечника при его возбуждении от источника питания переменного тока (на фиг.2 места присоединения источника питания и измерителя напряжения к сердечнику показаны точками). Благодаря тому, что спираль выполнена двухзаходной и многовитковой, общая длина сердечника возрастает (по сравнению с просто изогнутым сердечником), что обеспечивает высокую чувствительность преобразователя.

Разновидностью преобразователя с плоской двухзаходной спиралью является устройство на фиг.3. Здесь наружные концы спирали закреплены на корпусе 2 и электрически изолированы друг от друга (они являются выходами преобразователя и на фиг.3 показаны точками), а внутренние концы соединены между собой механически и электрически посредством электропроводящего кольца 9, соосного со спиралью. Спираль может быть залита по всей плоскости между внутренними и наружными концами эластичным диэлектрическим материалом, например полиуретаном, с отверстием посередине. Такой преобразователь, в частности, может выполнять функцию измерительной мембраны на пути движущегося потока жидкости или газа для определения его скорости.

Измеритель 4 (фиг.4) может быть выполнен по схеме усиления напряжения с магнитоупругого преобразователя (с использованием повышающего трансформатора 10) и измерения амплитудного значения напряжения с помощью пикового детектора (диод 11, конденсатор 12 и резистор 13) и регистрирующего прибора 14. При необходимости начальный уровень показаний измерителя может быть частично или полностью скомпенсирован (в последнем случае показания прибора пропорциональны силе или смещению нагружаемого конца сердечника).

Использование: для измерения сил, механических напряжений или крутящего момента путем измерения изменений магнитных свойств материалов. Сущность изобретения: устройство для измерения силы содержит магнитострикционный преобразователь, выполненный в виде корпуса с закрепленным на нем упругим сердечником из магнитострикционного материала, нагружаемым с образованием деформации кручения, измеритель переменного напряжения, электрически соединенный с концами упругого сердечника преобразователя, и источник питания переменного тока, который выполнен в виде источника тока, причем его выводы также соединены с концами упругого сердечника преобразователя. Упругий сердечник магнитострикционного преобразователя выполнен в виде плоской двухзаходной спирали, внутренние концы которой закреплены на корпусе, изолированы друг от друга и электрически соединены с измерителем переменного напряжения, а наружные концы механически и электрически соединены между собой. Сердечник пробразователя может быть выполнен также в виде плоской двухзаходной спирали, наружные концы которой закреплены на корпусе, изолированы друг от друга и электрически соединены с измерителем переменного напряжения, а внутренние концы соединены между собой с помощью электропроводящего кольца, соосного со спиралью. Спирали могут быть залиты эластичным диэлектрическим материалом по всей плоскости между наружными и внутренними концами спирали. 3 з. п. ф-лы, 7 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ, содержащее магнитострикционный преобразователь, выполненный в виде корпуса с закрепленным на нем упругим сердечником из магнитострикционного материала, выполненным с возможностью образования при нагружении деформации кручения, измеритель переменного напряжения, электрически соединенный с концами упругого сердечника, и источник питания переменного тока, отличающееся тем, что источник питания переменного тока выполнен в виде источника тока, выводы которого подключены к концам упругого сердечника. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что упругий сердечник магнитострикционного преобразователя выполнен в виде плоской двухзаходной спирали, внутренние концы которой изолированы друг от друга, закреплены на корпусе и электрически соединены с измерителем переменного напряжения, а наружные концы механически и электрически соединены между собой. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в него введено электропроводящее кольцо, упругий сердечник магнитострикционного преобразователя выполнен в виде плоской двухзаходной спирали, наружные концы которой изолированы друг от друга, закреплены на корпусе и электрически соединены с измерителем переменного напряжения, а внутренние концы соединены электропроводящим кольцом, установленным соосно с плоской двухзаходной спиралью. 4. Устройство по пп.2 и 3, отличающееся тем, что плоская двухзаходная спираль по всей плоскости между ее наружными и внутренними концами заполнена эластичным диэлектрическим материалом.