УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УСИЛИЙ Российский патент 1998 года по МПК G01L1/22 

Изобретение относится к силоизмерительной технике и предназначено для измерения с повышенной точностью силы в широком диапазоне.

Известно силоизмерительное устройство, в котором кольцевой упругий элемент с первичными преобразователями подвергается в процессе нагружения скручиванию от возникающего момента [1]. Основным недостатком этого устройства является ограниченность упругих характеристик кольцевого элемента, выполненного из стали.

В другом аналоге осуществлен также принцип деформирования кольца, на котором закреплены тензорезисторы, сигнал которых детектируется напряжениями, возникающими в кольце от нагрузки [2].

Этому аналогу свойственны те же недостатки, что и предыдущему.

В качестве прототипа предлагаемого устройства принято измерительное устройство, в котором силоупругий элемент состоит из двух деталей: внешнего кольца, воспринимающего нагрузку, и кольцевого разрезного элемента с первичным измерительным преобразователем, размещенного внутри первого [2].

Недостатком прототипа является тот же, что и у предыдущих - невозможность повысить чувствительность, а следовательно, снизить погрешность, по причине ограниченных упругих характеристик материалов силоупругих элементов. Кроме того, не предусмотрена защита от внешней среды (герметизация).

Изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении чувствительности и снижении погрешности измерений, а также на достижение герметичности и осесимметричности приложения нагрузки.

Это достигается тем, что устройство для измерения усилий содержит два упругих элемента, первичный измерительный преобразователь, отличающееся тем, что один из упругих элементов выполнен в виде корпуса - цилиндра, внутри которого расположен второй упругий элемент в виде цилиндрической трубки, на которой имеются две конические поверхности с углом конуса 90^o, одна из которых внешняя, другая - внутренняя, при этом конические поверхности и прилегающие к ним цилиндрические части трубки разрезаны в продольном направлении.

В качестве первичных измерительных преобразователей применены проволочные кольцевые тензоpистоpы, один из которых расположен в сжатой, а другой в растянутой зоне конической поверхности. Для этого трубка разделена на две части жестким кольцом.

Конструктивная схема устройства представлена на фиг. 1.

Устройство состоит из следующих основных деталей: 1 - корпус; 2 - цилиндрическая трубка с двумя коническими поверхностями а; б; 3 - верхняя крышка с конусом а; 4 - нижняя крышка с коническим гнездом. Трубка 2 имеет жесткое кольцо в с резьбой, благодаря чему области сжатия и растяжения с преобразователями 5, 6 конических поверхностей трубки 2 разделена и на каждую приходится половине линейной деформации корпуса - цилиндра. В местах расположения конических поверхностей и прилегающих к ним цилиндрических частей трубки 2 предусмотрены продольные разрезы m.

Устройство работает следующим образом.

При приложении нагрузки P корпус 1 испытывает линейную деформацию. Вместе с верхним торцем корпуса 1 перемещается конус крышки 3, который распирает конические лепестки n трубки 2, на цилиндрической поверхности которых навиты витки микропроволоки тензорезисторов 5. Одновременно сжатию подвергается нижняя часть корпуса с коническим гнездом в нижней крышке 4, с помощью которого происходит сжатие внешнего конуса б трубки 2. Оба преобразователя заведены в полумостовую схему измерительного прибора, чем обеспечивается термокомпенсация и усиление сигналов.

После снятия нагрузки упругие силы корпуса и лепестков трубки возвращают тензометрические датчики в исходное положение.

Настройка измерительной схемы вначале производится путем вворачивания крышки 3 с конусом, а затем, в процессе измерений, с помощью крышки 4 и измерительного прибора.

Для обоснования более высокой чувствительности предлагаемого устройства по сравнению с прототипом необходимо рассмотреть деформацию конической поверхности трубки.

На фиг. 2 показана схема действия сил и смещения конической поверхности, где: Δ - половина величины сжатия корпуса под воздействием силы P; X - отгиб лепестка (внутренней его конической поверхности); α - угол образующей конуса с осью.

Под действием силы P корпус датчика сжимается, причем половина перемещения от сжатия приходится на верхнюю часть, а половина на нижнюю. Тогда запишем X = Δtgα . Возьмем для примера максимальный случай α = 45^° , тогда X = Δ . Длина витка тензометрической проволоки увеличивается на величину, равную:
Δl = π(d+2X)-πd = 2πX•n
где
n - число витков.

Относительное удлинение:

Для d = 30 мм и X = 0,075 (данные взяты в качестве примера).

При чувствительности прибора 1•10^-6 е.о.д. имеем ε = 5000•10^-6 е.о.д.

Эта деформация тензометрической микропроволоки, а не материала упругого элемента.

При P = 50 тс чувствительность равна 10 КГС, что составляет погрешность 0,02%.

Из рассмотренного выше можно сделать вывод о том, что при абсолютной деформации половина длины корпуса устройства δ = 0,075 мм диаметр растянутой зоны трубчатого элемента в месте расположения тензорезистора 5 увеличивается на двойную величину осевого сжатия половины корпуса датчика, т.е. X₁ = 2 • 0,075 = 0,15 мм. Поскольку разрезы дают возможность отгибаться лепестками трубки 2 на любую заранее рассчитанную величину (все зависит от длины разреза), не превышая напряжений в корне лепестков σ_пц (напряжения пропорциональности), то повышение чувствительности датчика можно достичь за счет увеличения деформации тензочувствительности микропроволоки, у которой механические характеристики значительно выше любой легированной стали, а также за счет размера диаметра d намотки тензорезистора.

Что же касается стабильности показаний датчиков, их ползучести и дрейфа нуля, то из литературных источников и лабораторных исследований известно, что у кольцевых тензорезисторов они отсутствуют или очень малы.

В нижней половине трубчатого элемента цилиндрическая часть разреза не имеет в месте укладки тензочувствительной микропроволоки и несколько отодвинута от конуса утоньшенной частью трубки. Деформация тензочувствительной микропроволоки в этом случае практически близка к деформации материала (учитывая чувствительность датчика). При действии нагрузки P в этом случае сжатие внешней конической поверхности передается цилиндрической частью 6, где расположен тензорезистор 6.

Следует отметить также конструктивную компактность, малогабаритность, возможность полной герметизации устройства.

Таким образом, отличительной особенностью прилагаемого устройства для измерения усилий является выполнение конструктивной схемы с двумя упругими элементами, взаимосвязанными деформацией, причем линейная деформация одного (сжатие) передается второму с увеличением в радиальном направлении вдвое (в месте растяжения первичных преобразователей), а в месте сжатой зоны до ≈ 1,5 (могут изменяться в зависимости от угла конических поверхностей и конструкции места под преобразователи). Обеспечивая в корне лепестков трубки 2 напряжение пропорциональности, конструктивная схема позволяет увеличить сигнал от преобразователей (по сравнению с прототипом и аналогами в максимальном исполнении) почти в 8 раз. Этим устройством можно осуществлять регистрацию нагрузок в широком диапазоне с высокой чувствительностью и погрешностью < 0,05% (по экспериментальным данным).

Использование: измерение силы с высокой точностью в широком диапазоне. Сущность изобретения: устройство содержит два размещенных один внутри другого упругих элемента и измерительный преобразователь, установленный на внутреннем элементе. Один из упругих элементов выполнен в виде корпуса цилиндрической формы, а другой - внутренний - в виде трубки, часть которой, выполненная цилиндрической, прилегает к частям трубки, одна из которых имеет внешнюю, а другая внутреннюю конические поверхности. Угол между образующей каждой из конических поверхностей и осью конуса равен 45^o, а на конических поверхностях и прилегающих к ним поверхностях цилиндрической части трубки выполнены продольные разрезы, образующие отдельные лепестки. Первичный измерительный преобразователь может быть выполнен в виде проволочного кольцевого тензорезистора. Измерительный преобразователь может быть выполнен в виде двух проволочных кольцевых тензорезисторов, одного в зоне сжатия, а другого - в зоне растяжения. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для измерения усилий, содержащее два размещенных один внутри другого упругих элемента и первичный измерительный преобразователь, размещенный на внутреннем упругом элементе, отличающееся тем, что один из упругих элементов выполнен в виде корпуса цилиндрической формы, а другой - внутренний - в виде трубки, часть которой, выполненная цилиндрической, прилегает к частям трубки, одна из которых имеет внешнюю, а другая внутреннюю коническую поверхности, при этом угол между образующей каждой из конических поверхностей и осью конуса равен 45^o, а на конических поверхностях и прилегающих к ним поверхностях цилиндрической части трубки выполнены продольные разрезы, образующие отдельные лепестки. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первичный измерительный преобразователь выполнен в виде проволочного кольцевого тензорезистора. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первичный измерительный преобразователь выполнен в виде двух проволочных кольцевых тензорезисторов, один из которых расположен в зоне сжатия, а другой - в зоне растяжения внутреннего упругого элемента. 4. Устройство по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что в местах расположения тензорезисторов выполнены винтовые канавки. 5. Устройство по любому из пп.1 - 4, отличающееся тем, что на внутреннем упругом элементе выполнено жесткое кольцо с резьбой, разделяющей зоны сжатия и растяжения.