Способ измерения сил магнитоупругим преобразователем Советский патент 1986 года по МПК G01L1/12 

1

Изобретение относится к силоиз- мерительной технике и может быть использовано для создания точных устройств для измерения сил и является усовершенствованием способа измерения СШ1 магнитоупругим преобразова- телем по авт.св. № 887948.

Цель изобретения - повьш ение точности.

На фиг.1 показан сердечник магни тоупругого преобразователя и схема замещения его магнитной цепи; на фиг.2 - схема замещения магнитной цепи в виде магнитного мостаj на фиг.З - веберамперные характеристик плеча магнитного моста; на фиг,,4 - функции преобразования магнитоупруг го преобразователя; на фиг.З - схем силоизмерительного устройства.

Сердечник 1 магнитоупругого преобразователя состоит из пластин элетротехнической стали, собранных в пакет. Выступы пластин образуют гребешки, к которым приложена действующая на преобразователь сила F. Сердечник имеет четыре отверстия для взаимно перпендикулярных обмоток. Оверстия 2 и 3 предназначены для намагничивающей обмотки, отверстия 4 и 5 - для выходной обмотки.

Намагничивающая обмотка питается переменным током и создает магнитны поток

Ф Ф+ф. , (/)

« V

где Р - магнитный поток в горизонтальных участках сердечника, расположенных между отверстиями 3 и 5 и между отверстиями 2 и 4j Ф - магнитный поток в вертикалных участках сердечника, расположенных между отверстиями 3 и 4 и между отверстиями 2 и 5.

Под действием силы F магнитное сопротивление вертикальных участков увеличивается. При этом магнитный поток Ф перераспределяется между горизонтальными и вертикальными участками сердечника, расположенными между отверстиями для обмоток. Часть потокаФ, обозначенная на фиг.1 чер Фд, охватывает отверЬтия 4 и 5, в кторых расположена выходная обмотка. Поток Фд наводит в выходной обмотке электродвижущую силу, зависящую от приложенной к преобразователю измеряемой силы F.

На зажимах питания схемы замещения магнитной цепи (фиг.1) действует магнитодвижущая сила „, созданная намагничивающей обмоткой. Под действием V по магнитной цепи протекает магнитный поток р, пропорциональный приложенному к намагничивающей обмотке синусоидальному напряжению переменного тока. На фиг.1 магнитные сопротивления обозначены

Zy, Z - сопротивления соответственно вертикальных .и горизонтальных участков, расположенных между отверстиями для обмоток; Z,- сопротивления внешних участков, по которым замыкается потокф ; Zj- сопротивления участков, по которым замыкается поток, сцепленный с выходной обмоткой; Zg- магнитное сопротивление, вносимое в магнитную цепь выходной обмоткой. Схема замещения, приведенная на фиг.2, эквивалентна схеме на фиг.1, при этом в измерительную диагональ моста включен элемент сопротивление которого Z эквивалентно сопротивлениям участков, по которьш проходят магнитный поток ф, сцепленный с выходной обмоткой. На фиг.2 плечи мос

та с сопротивлением Z являются активными, т.е. воспринимающими изме- ряем;ую величину. Сопротивление Z зависит от измеряемой силы F. Плечи моста, сопротивление которых обозначено через Z , являются компенсаци- онньп ш.

Для показанной на фиг.2 мостовой цепи справедливо равенство

V,. - V. Ул

(2)

где V,

а

Vj( - комплексные амплитуды магнитных напряжений соответственно активного Z и компенсационного Z плеч моста;

V. - комплексная амплитуда магнитного напряжения измерительной диагонали моста.

На фиг.З показаны веберамперные 55 характеристики плеча магнитного моста для двух значений температур. Кривая 6 соответствует температуре , кривая 7 - 260°С. Кривые 6 и

7 построены по кривым намагничивания электротехнической стали 3330. Вебер- амперные характеристики соответствуют отсутствию внешней механической нагрузки (F 0) и представлены в координатах амплитуда магнитной индукции - амплитуда магнитного напряжения. Кривая 6 отвечает условиям градуировки магнитоупругого преобразователя.

Если мост сбалансирован, то

Ф

Ф Ф --- , - 2

О.(3)

Такое состояние моста отмечено точкой 8 на кривой 6 и точкой 10 на кривой 7 . При изменении влияющих условий, например, вследствие магнитоупругого гистерезиса или изменени температуры, сопротивления активных и компенсационных плеч могут изме- ниться не в равной степени. В результате балансировки моста нарушается и по измерительной диагонали протекае начальный магнитный поток йФ (при F 0). При положительном значении Ф поток в активном плече уменьшится на 0,5ЛФ. Этому состоянию соответствует точка 11 на кривой 7. Если при нормальных условиях начальное сопротивление плеча моста определялось углом между горизонтальной осью и прямой 9, то при наличии аддитивной погрешности это сопротивление определяется углом между осью Vy и прямой 12.

По мере роста силы F, действующе на магнитоупругий преобразователь, увеличивается сопротивление активного плеча. Поток в активном плече уменьшается, а в компенсационном увеличивается. Наличию полезного сигнала в измерительной диагонали моста соответствует точка 13. Увеличение сопротивления активного плеча с ростом F обусловлено работой магнитного поля против внешней силы, которая осуществляется благодаря магнито- стрикции. В компенсационном плече наличию начального выходного потока

дфи полезного сигнала Ф соответд

ствует перемещение точки, характеризующей магнитное состояние плеча, вправо от точки 10.

Та часть погрешности магнитоупругого преобразователя, которая может быть найдена при измерении по предлагаемому способу, определяется благодаря зависимости ее от сопротивления диагонали моста 1.,, Поэтому из3

мерения производятся при нескольких значениях сопротивления в цепи выходной обмотки преобразователя. Нужное значение сопротивления

Zg устанавливается путем подключения к зажимам выходной обмотки нагрузки с соответствующим электрическим сопротивлением. 0

При градуировке получают три функции преобразования 14, 15 и 16 (фиг.4) магнитоупругого преобразователя при трех значениях сопротивления нагруз- 5 ки, подключенной к выходной обмотке, соответственно Z, Z и , причем Z, ZJJ Z. Самое большое сопротивление Z;, может быть равно входному сопротивлению прибора, применен- 0 ного для измерения выходного напряжения магнитоупругого преобразователя. Каждому значению Z соответствует свое значение 2„, При Z Z 0. На фиг.4 приняты следующие обоз- 5 начения:

g - фиксированные значения эталонной силы, прикладываемой к преобразователю при гра- 0дуировке;

F, - значение силы, прикладываемой к преобразователю при рабочем измерении;

, V,,, V,

JP

- выходные напряжения

преобразователя при раоочем измерении, соответствующем трем значениям сопротивления нагрузки в цепи выходной обмотки преобразователя ;

V V,n выходные напряжения преобразователя, соответствующие трем значениям сопротивления нагрузки в цепи выходной обмотки преобразователя, которые могли бы быть получены при приложении к преобразователю силы F в условиях градуировки;1 ij 3 выходные напряжения

преобразователя, соответствующие трем значениям сопротивления нагрузки в цепи выг

ходной обмотки преобразователя при градуировке;

Д F - погрешность преобразователя при рабочем измерении по функции преобразования 14;

Д , Л- , й - соответствующие отклонения значений , Vjp 3f значений V,H. V, и V,;

о Зо образцовые напряжения и соответствующие им параметры Н определяемые по ре- зультатам рабочих измерений из функций преобразования 14, 15 и 16. При этом точками 17, 18, 19 поме-

чены координаты значений V , р

УЗР при рабочем измерении.

Участки аь, de , mn функций пре- образования 14, 15 и 16 соотвётству- ют погрешности ДF, причем из геометрических соображений следует, что

,- 4,- К,; (4) З 5),

де Kj - отношение чувствительности по функции преобразования 15 к чувствительности по функции преобразования ., 14 при данном F ; Kg - отношение чувствительности по функции преобразования 16 к чувствительности по функции преобразования 14 при данном F. При этом, если V, V.,, то

К -YLLaJi-I-YLC .

г V- V

i(j + i)

К Ya.G( 5V- V

(j)1J

(6S

(7)

Из графика на фиг.4 следует,

- V,, - V, ; + 3 зр ао

V,o - V .

f v, v, K,(v,,- V, )j

з. з. K(V,,- V,,) .

положить, что

Л, u , Л, Л, й з

(12) (13),

д и д - некоторые условные ешности, то из (4) и (5). следучто:

Ч

т л

л-L4 .

1 - :.

л - i-

(14)

. (15),

причем отклонение Л можно опреле- лить как

; , (1-к,).(1б)

при этом уточненное значение выходного напряжения преобразователя, по величине которого судят об измеряемой силе, определяют из выражения

V V,, -Д, , (17)

или с учетом выражений (8), (9), (10),. (11),(14),(15),(16)

VIP- V - K,(V,p - V,, )

1 - К„

4,v,p Yai.(YuLr i-ci

L . I - KI

Yii.- iSjilYiAi-Yi.-).- 1 . K,

J к ,

1 - K,

(18)

Предложенный спосоь измерения сил магнитоупругим преобразователем может быть реализован с помощью сило- измерительного устройства (фиг.5).

Силоизмерительное устройство содержит магнитоупругий преобразователь 20 с намагничивающей 21 и выходной 22 взаимно перпендикулярными обмотками, коммутаторы 23 и 24, резисторы 25, 26 и 27, сопротивления которых неодинаковы, цифровой измерительный прибор 28, микро-ЭВМ 29 и каналы для передачи измерительной информации и сигналов управления 30 - 33,

Через коммутатор 23 выходная обмотка 22 магнитоупругого преобразователя 20 замыкается на один из резисторов 25, 26 или 27. Резистор, подключенный к выходной обмотке 22 магнитоупругого преобразователя 20, через коммутатор 24 присоединен к входу цифрового измерительного прибора 28. Цифровой измерительный прибор 28 и коммутаторы 23 и 24 связаны с микро- ЭВМ 29 каналами для передачи измерительной информации и сигналов управления 30 - 33. Управление цифровым

измерительным прибором 28 и коммутаторами 23 и 24 осуществляется микро- ЭВМ 29, которая выполняет также все вычислительные операции, предусмотренные процедурой измерения.

При градуировке силоизмерител.ьно- го устройства при каждом фиксированном через определенные интервалы зна ченияэталонной силы- g через коммутатор 23 цепь выходной обмотки 22 магнитоупругого преобразователя 20 поочередно замыкается на резисторы 25 - 27. Напряжения V , V , V , действующие на этих резистора :, через коммутатор 24 подаются на вход цифрового измерительного прибора 28 и измеряются. Измеренные значения напряжений , , вместе с соответствующими значениями эталонной силы (gj) записываются в память микро-ЭВМ 29, где эта информация хранится.

При рабочем измерении также, как при градуировке, поочередно к выходной обмотке 22 магнитоупругого преоб разователя 20 подключаются резисторы 25 - 27 и измеряются действующие на них напряжения , V,jp, . Результаты измерений вводятся в микро-ЭВМ, где по описанному выше алгоритму вычисляется уточненное значение выходного напряжения V и по функции преобразования основанной на совокупности значений V. определяют значе

кие измеряемой силы.

tf

Формула изобретения

Способ измерения сил магнитоупру- гим преобразователем по авт.св. № 887948, отличающийся

тем, что, с целью пойышения точности, при градуировке И рабочем измерении дополнительно измеряют выходные напряжения преобразователя при третьем

значении сопротивления нагрузки в цепи выходной обмотки преобразователя, а уточненное значение выходного напряжения преобразователя, по величине которого судят об измеряемой силе, определяют из выражения

V У.

IP

Y.Li Ysir-Ki()

1 - к.

Г ..(Yi. ) L 1 - к

blYi.)l. 1 - Кз - к - к

где

К Y2.o j-ji i Yii v,,.,, -V,,

к Y2.it.t.

K. + D

- V.

и

где индексы 1,2,3 относятся к значениям выходных напряжений преобразователя, соответствующих трем различным значениям сопротивлений нагрузки в цепи его выходной обмотки;

индекс р относится к значениям выходных напряжений преобразователя, измеренных при рабочем измерении;

индексы j и j + 1 относятся к значениям выходных напряжений V преобразователя, измеренных при фиксированных значениях эталонной силы при градуировке, которые выбираются из условия

40

V

i( I

,

(Put. 2

,

.

Ifli

f- Jr

z- -tirr

:rL:mrlr:, Tf

1 I p t-JT- .. U I I

тй).:

--i35z:f:p: - w ixcT

Tijr

It I

fufj#/.

фп.

Фиг.З

IJy

Изобретение относится к силоизмерительной технике и может быть использовано для создания точных устройств для измерения сил. Цель изобретения - повьшение точности измерения. Способ измерения сил реализуется с помощью устройства. При градуировке силоизмерительного устройства при каждом фиксированном через определенные интервалы значении эталонной силы через коммутатор 23 цепь выходной обмотки 22 магнитоупругого преобразователя 20 поочередно замыкается на резисторы 25, 26 и 27. Напряжения, действующие на этих резисторах, через коммутатор 24 подаются на вход цифрового измерительного прибора 28 и измеряются. Измеренные значения вместе с соответствующими значениями эталонной силы записываются в память микро-ЭВМ 29, где хранится информация. При рабочем измерении так же, как. и при градуировке, результаты измерений вводят в ЭВМ, где вычисляют уточненное значение выходного напряжения и по функции преобразования определяют значение измеряемой силы. 5 ил. i СЛ tsD ГчЭ 4 О5 со Фиг f

Составитель А.Амаханов Редактор М.Товтин Техред И.,Попович Корректор С.Черни

Заказ 1941/39 Тираж 778Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, 4