Устройство для измерения усилий Советский патент 1984 года по МПК G01L1/18 

С

о

со 9) 1 Изобретение относится к измерител ной технике и может быть использован для измерения усилия, веса, натяжени и т.п. в системах автоматизации технологических процессов, преимуществе но в тяжелой промышленности. Известно устройство для измерения напряжения (усилия) в образце из алю миния в форме параллелепипеда, содер жащие два пьезокварца, прикрепленных к образцу, один из которых работает в режиме источника ультразвуковых ко лебаний и соединен с генератором непрерывных ультразвуковых колебаний, а другой - в режиме приемника и соединен с входом осциллографа l . Недостатками известного устройств являются неудобство съема информации с осщ ллографа и необходимость в дополнительной математической обработИ точность измерения, так как разнос скоростей распространения ультразвуковых колебаний в образце под нагруз кой и без нее невелика. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для измерения скорости распространения ультразвука в бетоне, содержащее генератор ультразвуковых колебаний, узел задержки пуска зонди рующих импульсов, генератор зондирующих импульсов, излучатель и приемник ультразвуковых колебаний, усилитель и осциллограф с генератором разверток и меток времени Zj . Поскольку скорость распространения ультразвука зависит от напряжений в :материале, такое устройство может быть использовано и для измерения напряжений (усилий) в бетоне-. Недостатками известного устройства являются низкая чувствительностьи точность измерения и невозможность автоматизации процесса измерения, поскольку информация визуальная, а не в форме сигнала, и разность скоростей распространения ультразвуковых колебаний под нагрузкой и без нее -невелика . Целью изобретения является повьше ние чувствительности, точности измерения и возможность автоматизации процесса измерения. Указанная цель достигается тем, что устройство для измерения усилий, содержащее генератор ультразвуковых колебаний, соединенный с излучателем96приемником, установленным на одном из торцов силовоспринимающего элемента и усилитель колеба ний, соединенный с излучателем-приемником, снабжено преобразователем, счетчиком импульсов, таймером и вычислительным блоком,а усилитель вьшолнен с автоматической регулировкой усиления и соединен своим выходом с входом преобразователя, выход которого соединен с входом запуска таймера и входом счетчика импульсов, который в свою очередь соединен с входом останова таймера, а выход таймера соединен с входом обнуления счетчика импульсов и вычислительным блоком, который каналом синхронизации связан с входом генератора. На чертеже представлена структурная схема устройства. Устройство содержит силовоспринимающий металлический элемент (датчик) 1 в форме бруса длиной , на одном торце которого укреплен источникприемник ультразвука 2. Выход генератора пачек импульсов ультразву совых колебаний 3 соединен с источникомприемником и входом усилителя 4, имеющим автоматическую регулировку усиления (АРУ). Выход усилителя соединен с входом преобразователя 5, выход которого соединен с входом счетчика импульсов 6 и входом запуска таймера 7. Выход счетчика импульсов 6 соединен с входом останова таймера 7, а кодированньй выход таймера соединен с вычислительным блоком 8. Выход таймера Ответ связан с входом счетчика Обнуление. Вычислительный блок связан каналом синхронизации с генератором 3. Силовоспринимающий элемент 1 в виде бруса выполняется из металла, например алюминия, прямоугольного или круглого сечения. Для получения многократного отражения необходимо, чтобы ультразвуковой пучок был параллелен оси стержня, для чего необходимо вьшолнить условие - Л , где IJ - диаметр мембраны источника-приемника, 1 - длина волны ультразвука. Источник-приемник 2 может быть ьезоэлектрическим или магнитос.трикионным. Форма элемента может быть различ- . ной, при этом должно вьшолняться условие многократного отражения ультразвука при совпадении траекторий падающей и отраженной волны..

Генератор 3 представляет собой ждущий генератор импульсов, моделирующий ультразвуковой генератор непрерывных синусоидальных колебаний. При запуске генератору оператором при помощи кнопки запуска на входе его формируется единичная пачка ультразвуковых колебаний.

Усилитель должен иметь .автоматическую регулировку усилителя для работы в широком динамическом диапазоне входньк сигналовi Чем выше чувства тельность усилителя, тем большее количество отражений он может зАфиксировать, тем большая точность измерения.

Преобразователь 5 представляет собой детектор и выпрямитель для преобразования пачек ультразвуковых колебаний в униполярные импульсы.

Счетчик импульсов 6 должен быть вьшолнен с фиксированным коэффициентом пересчета П приходе последнего П -го импульса счетчик вьфабатывает импульс, подаваемый на вход останова работы таймера. Число ,, определяется точностью измерения, и быстродействием устройства измерения

Таймер 7 представляет собой уст- ройство измерения времени и имеет вход запуска отсчета времени и вход .останова отсчета-времени.

Вычислительньй блок 8 может быть любого типа, состоит из вычислителя и памяти и должен выполнять операции приема информации от таймера, вычисления разности, умножения на постоянный коэффициент и индикаци результата вычислений на табло.

Устройство работает следующим образом.

Измеряют время t, многократно.(п) отраженной пачки ультразвуковых колебаний без нагрузки и время (п) отваженной пачки под нагрузкой t

Разность bt t-n-t2 прямо пропорциональна нагрузке Р. Время -распространения ультразвука пэд нагрузкой является функцией напряжения

Р

6

B-d

где 6 , d - длина и ширина силовоспринимающего элемента.

Генератор 3 генерирует пачки импульсов, которые подаются на приемникизлучатель 2 и на вход усилителя 4. Преобразователь 5. детектирует и выпрямляет сигнал генератора и вьщает импульсный сигнал на счетчик и таймер, запуская его. Пачка ультразвуковых колебаний, распространяясь в элементе 1, испытывает многократные отражения от торцов элемента. Число отражений измеряется счетчиком 6. При числе отражений (п) равном напе- ред заданному фиксированному значению п т; п счетчик вырабатьшает сигнал, превращающий работу таймера 7. Информация с таймера 7 считывается в вычислительный блок 8, который выполняет операции вычитания (Ь,-Чя), умножения на масштабный коэффициент, выдавая на цифровой индикаторрезультат в единицах измерения усилия. Интервал между посылками пачек импульсов trew. должен быть больше t и времени , где lonp. -частота опроса таймера вычислительным устройством.

Выходная характеристика устройства есть линейная функция f -i (bt) .Нормирование номинального выходного сигнала можно осуществить подгонкой длины силовоспринимающего элемента. Такое выполнение схемы измерения, позволяющей измерить время распространения многократно отраженного ультразвукового сигнала в снловоспринимающем металлическом элементе, позволяет повьюить чувствительность и точность измерения и возможность автоматизировать процесс измерения.

У W W У У л1/ L I//W К L

Р ,I

ф ф ф

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УСИЛИЙ, содержащее генератор ультразвуковых колебаний, соединенный с из лучателем-приемником, установленным на одном из торцов силовоспринимающего элемента и усилитель колебаний, соединенный с излучателем-приемником, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности, точности измерения и возможности автоматизации процесса измерения, оно снабжено преобразователем, счетчиком импульсов, таймером и вычислительным блоком, а усилитель выполнен с автоматичеЬкой регулировкой усиления и соединен своим выходом с входом преобразователя, выход которого соединен с входом запуска таймера и входом счетчика импульсов, который в свою очередь соединен с входом останова таймера, а выход таймера соединен с вхо-1 дом обнуления счетчика импульсов и вычислительным блоком, который каналом синхронизации связан с входом генератора.