Преобразователь силы Советский патент 1985 года по МПК G01L1/10 

Изобретение относится к силоизмерительно технике, в частности может быть использовано в вес.ах, в которых сила преобразуется в пропорциональную ей частоту электромеханических колебаний. Известно устройство частотного преобразов теля силы, состоящее из стержневого резонатора, электромагнитного возбудителя колебаний, магнитопрйод которого с центральным сердечником расположен по одну сторону от резонатора да одинаковом расстоянии, от его концов, и электромагнитного приемника коле баний, состоящего из друх магнитопроводов. с центральными сердечниками и поспедоватепьно соединенными обмотками, при этом прием ник электромагнитных колебаний расположен по другую сторону резонатора, а расстояние между осями его кату щек равно 1/3-1/2 длины резонатора и они расположены симметрично оси возбудителя 11. Недостатками указанного устройства являются невозможность ослабления амплитудь помехи третьей формы более чем в 3-3,5 раза и чувствительность к помехам пятой формы .колебаний. Наиболее близким по технической сущностя к изобретению является преобразователь силы, содержащий стержневой резонатор, электромаг нитные возбудители и приемник колебаний, магнитопроводы которого расположены по разные стороны от резонатора, при этом общая ось симметрии магнитопроводов равноуда лена от концов резонатора 21. Недостатком известного устройства является чувствительность к помехам с частотами колебаний третьей и пятой форм. Цель изобретения - повыщение помехоустойчивости преобразователя. Указанная цель достигается тем, что в преобразователе силы, содержащем стержневой резонатор, электромагнитные возбудитель и приемник его колебаний, магнитопроводы которых расположены по разные стороны от резонатора, при этом общая ось симметрии, магнитопроводов равноудалена от концов резонатора, магнитопроводы возбудителя и приемника колебаний выполнены каждый в виде Ш-образного тела, размер которого вдоль продольиой леи резонатора равен 0,53-0,61 длины резонатора, размер центрального сердечника этого тела вдоль той же оси равен 0,19-0,23, а размер каждого из двух одинако вых крайних его сердечников вдоль оси равен 0,09-0,12 длины резонатора. На фиг. 1 представлена принципиальная схема предлагаемого преобразователя силы; на фиг. 2а - поперечное сечение конструкции, содержащей резонатор и магнитопроводь/ возбудителя и приемника, плоскостью симметрии ВВ этой конструкции; на фиг.2б - поперечное сечение вспомогательного элемента компенсирующего трансформатора его плоскостью симметрии; на фиг. За - собственная функция У (X), соответствующая третьей форме колебаний резонатора, и поперечное сечение магнитопровода возбудителя его плоскостью симметрии СС; на фиг. 36 - собственная функция У5.(Х), соответствующая пятой форме колебаний резонатора, и поперечное сечение того же магнитопровода той же плоскостью (поперечное сечение магнитопровода на фиг. 3 а,б) не защтриховано, но эащтрихованы области y.jO и У}, 0 еясащие против торцов этого магнитопровода. Преобразователь силы содержит ферромагнитный стержневой резонатор 1, являющий- .ся перемычкой двзос массивных оснований 2- упругого элемента, электромагнитные возбудитель и приемник колебаний. Электромагнит-, нитный возбудатель колебаний состоит из магнитопровода 3, выполненного в виде Ш-образного тела, которое имеет цeнtpaльиый сердечник 4 с обмоткой 5 и два-одинаковых край-: них сердечника 6. Магнитопровод 3 расположен по одну сторону ог резонатора на однна- j ковом расстоянии от его концов и имеет размер b (4/7) t вдоль оси X (фиг.З), параллельной продольиой оси 00 резонатора 1. Здесь t - длина резонатора 1, равная рассточ янию между массивными основаниями 2 (фиг.1). Центральный сердечник 4 имеет размер d .(16/77) f вдоль оси X, а два одинаковых крайних сердечника 6 имеют размер Р - (8/77) вдоль той же оси (фиг.З). Все три сердечника - центральный 5 и два крайних 6 имеют форму четырехгранных прямоугольных призм, основаниями которых являются прямоугольники, причем в направлении нормали к плоскости СС размер, сердечников 4 и 6 одинаков и равен величине д, которая не превышает ширину в резонатора 1 (фиг. 2а). Электромагнитный приемник колебаний состоит из магнитопровода 7, который имеет форму и размеры магнитопровода 4, расположен зеркально-симметрично магиитопроводу 3 относительно плоскости АА и имеет центральный сердечник 8 с обмоткой 9 и два одинаковых крайних сердечника 10. Конструкция, содержащая резонатор 1 и магнитопроводы 3 и 7, обладает свойством зеркальной симметрии относительно трех взаимно перпендикулярных плоскостей АА, ВВ и СС, причем продольная ось 00 резонатора 1 является прямой пересечения плоскостей АА и СС. В состав преобразователя силы входит также компенсирующий трансформатор, который

содержит магиитопровод 11, такой же, как и магнитопровод возбудителя, магнитоировод 12, такой же, как и магнитопровод приемника, ферромагнитный стержень 13, имеющий форму и размеры резонатора 1, и две диэлектрические пластины 14 и 15, расположенные по разные стороны от стержня 13, причем пластины 14 и 15 и стержень 13 неподвижно закреплены относительно элементов магнитопроводов 11 и 12. Магнитопровод 11 имеет центральный

сердечник 16 с обмоткой 17, которая соеди.нена с обмоткой 5 последовательно-встречно в цепь возбудителя, а магнитопровод 12 имеет центральный сердечник 18 с обмоткой 19, которая соединена с .обмоткой 9 последовательно-согласно в цепь приемника.

Цепь возбудителя, содержащая обмотки 5 и 17, подключена к выходу усилителя 20, а цепь приемника, содержащая обмотки 9 и 19 - к входу усилителя 20. Вывод усили теля 20, несущий информацию о величине частоты электомеханических автоколебаний первой формы, подключен-к частотомеру 21. Нагрузка F (фиг. 1) - это сила, величина которой должна быть преобразована в частоту колебаний резонатора первой формы.

Теоретическое обоснование работы предлагаемого преобразователя силы заключается , в следующем. Собственные функции У и Vj соответствующие колебаниям третьей и пятой форм (фиг. За, б), являются решением уравнения поперечных колебаний упругого, продольно нагруженного стержня с защемленными концами.

Расстояние между корнями функции У (X) бпижайщими к середине резонатора, по расчетам раьно г (2/7 -2S,) , где S., - 1,3- 7,4-10 j;;-, а расстояние между корнями функции У (X), ближайшими к середине резонатора, равно

г (2/11 - 255)2 при /Sj /(S,/,

где F - сила, растягивающая резонатор,

N величина, имеющая размерность

силы, - модуль упругости резонатора,

,3 - момент инерции его поперечного сечения

в частности J - при ширине этого

сечения, равной 6 и высоте h (фиг.2а). I

С точностью до малых поправок, порядка

2 S-J Р, и 2 б -J Е, узлы колебаний третьей формы лежат на оси X в окрестностях

середин зазоров между центральным сердечником 4 и крайними сердечниками 6 (расстояние между этими серединами в схеме равно (2/7 ), а пучности колебаний пятой формы, расстояние между которыми 2г S: (4/11 ) f, лежат на оси X в окрестностях точек пересечения внутренних граней сердечников 6 с осью X. С той же точностью

расстояние между двумя пучностями НИИ третьей формы, ближайишми к краям резонатора, равно 2 г, (4/7)f. Эти пучности лежат на оси X в окрестностях точек пересечения внеиших граней сердечников 6 с этой осью, так как расстояние между этими гранями равно Ь-размеру Ш-образного тела магннтопровода 3, а он выбран в этой схеме равным (4/7) f (фиг. За). Обозначим символом j разность между заштрихованной площадью, лежащей в области УЗ О (фиг. За), и суммой заштри хованных площадей, лежащих в области (фиг. За),а символом j величину

интеграла j j х, где х и g -

у, корни функции У (X), расстояние между которыми равно г. Отношение К- --/jj/ j,/. называется коэффиш1ентом ослабления амплитуды колебаний третьей формы. Аналогично, заменяя в предыдущих рассуждениях индекс 3 индексом 5, составим выражение для величины Kj -/JJ./ - коэффициента ослабления амплитуды колебаний пятой формы. Величины j.j- Ь величины г,

рассчитаны аналитически.

Принцип работы преобразователя силы основан на зависимости частоты колебаний первой формы от величины продольных растягивающих сил F, приложенных к концам резонатора 1. При включении усилителя 20 резонатор 1 входит в автоколебательный режим, совершая поперечные колебаний первой формы, по отношению к которой колебания с частотой всех прочих форм являются помехами. Эти помехи могут быть вызваны, частности, механическими сотрясениями фундамента или станины, на которой смонтирован преобразователь. Причиной помех могут быть и электрические шумы усилителя. Вследствие того, что конструкция, содержащая резонатор и магнитопроводы 3 и 7, симметрична относительно плоскости ВВ, преобразователь снлы устойчив к воздействию помех с частотами колебаний всех четных форм. Относите;п.ное изменение частоты tl колебаний первой формы Л т), /-it /st,4 N причем в том диапазоне изменения нагрузки F, в котором i-9, / i), изменяется не более чем на 20%, величины , отличаются от нуля не более, чем на 0,05 /j.,/- Поэтому коэффициееты ослабления K,jj амплит Д колебаний третьей и пятой форм в этом диапазоне изменения нагрузки F будут не менее двадцати. В процессе работы преобразователя в обмотке 9 происходит возбуждение электродвижущей скль, во-первых, от колсба} нй резонатора 1,

HjBO-BTOpbix, вследствие взаимной индуктивности обмоток 5 и 9, т.е. вследствие транс форматорной связи этих обмоток, не завися щей от колебаний резонатора 1. Полезной частью сигнала в цепи тфиемника является только та, которая обусловлена колебаниями резонатора 1. Трансформаторная составляющая этого сигнала, не зависящая от колебаний резонатора 1, снижает точность преобразовани силы в частоту, но в схеме (фиг. 1) она скомпенсирована. Эта составляющая сигнала в цепи приемника, определяемая суммой наводок вследствие индуктивной связи обмоток 5 и 9 индуктивной связи обмоток 17 и 19 компенсирующего трансформатора близка к нулю. Измерение частоты колебаний первой формы происходит в частотомере 21. Использование предлагаемого преобразователя силы в весах и силоизмерительных устройствах обеспечит повыщение их устойчивости к воздействию помех и повышает достоверность результатов измерений ,

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СИЛЫ, содержащий стержневой резонатор, электромагнитные возбудитель и приемник его колебаний, магнитопроводы которых расположены по разные стороны от резонатора, при зтом общая . ось симметрии1маг11итопровадов равноудалена от концов резонатора, отличающийс я тем, что, с целью повыщения помехоустойчивости, магнитопроводы возбудителя и приемника колебаний вьшолнены каждый в виде Ш-образного тела, размер которого : вдоль продольной оси резонатора равен 0,530,61 длины резонатора, размер центрального сердечника зтого тела вдоль той же оси равен 0,19-0,23, а размер каждого из двух одинаковых крайних его , сердечников вдоль оси равен 0,09-0,12 длины резонатора.

а

а