Датчик силы Советский патент 1988 года по МПК G01L1/10 

/// //////// /t/ А/1 ////// л/ /////////

Фиг.1

,

N3

;о

I Изобретение относится к измерительной технике, в частности к области измерения силы посредством частотных преобразовательных элементов.

Цель изобретения - повышение точности и стабильности датчика силы.

На фиг. 1 схематически изображена конструктивная схема предлагаемого датчика силы; на фиг. 2 - узел крепления силовос- принимающего элемента и подвижной опоры струны к корпусу.

Датчик силы содержит герметичный корпус 1, внутри которого размещен струнный преобразовательный элемент 2, сило- воспринимающий элемент 3, подвижную опору 4, пластины 5 упругого шарнира, эксцентриковую втулку 6, разделитель 7 сред и гайку 8 для фиксации силовоспринимаюш,его элемента в опоре. Для возбуждения колебаний струны в корпусе закреплена электромагнитная система 9.

Датчик силы работает следуюш,им образом.

Входная сила Ри отклоняет силовоспри- нимаюш.ий элемент 3 и подвижную опору 4 струны, прикрепленные пластинами 5 к корпусу, и изменяет начальное натяжение струны PC. Механические напряжения струны однозначно определяют частоту ее собственных колебаний. Частота колебаний струны является выходным информативным параметром датчика. Возбуждение и преобразование колебаний в электрический сигнал осуществляет электромагнитная система.

Работа упругих пластин заклЪчается в следующем. При работе датчика на пластины действуют две силы: Ри - измеряемая сила и PC - сила, воспринимаемая струной. Если привести эти силы в мгновенный центр вращения, расположенный на упругих пластинах, окажется, что равнодействующая этих сил направлена под углом а

, Ри

arctg-p- к продольной оси разделителя

сред. Следовательно, если мы установим пластины под углом а, то пластины в основном будут работать на растяжение, а механические напряжения в них, при одинаковой изгибной жесткости, будут наименьшими по сравнению с любым другим положением из-за отсутствия изгиба. Увеличивать поперечное сечение пластин (для уменьшения растягивающих напряжений) недопустимо, так как в этом случае неизбежно увеличится их изгибная жесткость, доля которой во входной жесткости датчика должна быть в 50-100 раз ниже доли продольной жесткости струны. В свою очередь, минимальные напряжения в пластинах позволяют обеспечить практическую неизменность положения мгновенного центра вращения (М.Ц.В) и, следовательно, стабильность кинематических характеристик пластин в течение

длительного времени, а также длительную стабильность метрологических характеристик датчика силы.

Рассмотрим работу упругих пластин дат- чика при изменении внешнего давления (фиг. 2). Назначение пластин упругого шарнира - обеспечить поворот силовосприни- мающего элемента и подвижной опоры относительно М.Ц.В. пластин при воздействии

Рц. Положение М.Ц.В. неизменно и однозначно зависит при небольщих углах поворота только от вида нагружения. При изменении внешнего давления Р на силовос- принимающий элемент в направлении его продольной оси действует сила Рв, равная ее

произведению на эффективную площадь разделителя сред. Действие Рв может вызвать поворот силовоспринимающего элемента и, следовательно, изменение натяжения струны при неизменной входной величине Рк. Для анализа влияния Рв на точность датчика приводят Рв к точке А (фиг. 2), разлагая Р на две силы 1 и Ру . При этом на пластины действует момент М,

М Рв-б; sina; Ру PB-COSOC,

где б - расстояние от оси разделителя сред до точки прикрепления пластин к поротной опоре;

а -угол между плоскостью пластин упругого щарнира и осью струнного преобразовательного элемента.

Действие Ру вызывает продольную деформацию упругих пластин, для уменьшения которой следует стремиться к уменьшению их длины.

Действие М и Р., приводит к повороту силовоспринимающего элемента относительно М.Ц.В. в противоположных направлениях. Поэтому поворот силовоспринимающего элемента будет равен нулю, если угол поворота ср„ от действия М будет равен по абсолютному значению углу поворота от действия Рх т.е.

Фи Ф ,( 1 )

Подставив известные зависимости в уравнение (), имеют

45

50

12М1 6Рх1 Ей EEIF

где 1, b и h - геометрические размеры гих пластин; Е - модуль упругости.

Отсюда 2Рв-б Рв-1-sina;

б

l-sina

Следовательно, при значении 5, вычис- 55 ленном по формуле (2), угол поворота сило- измерительного элемента равен нулю, т.е. чувствительность датчика к изменению внешнего давления близка к нулю. Для регулирования б в конструкции датчика предусмотрена эксцентриковая втулка, расположенная между силовоспринимающим элементом и подвижной опорой и позволяющая плавно изменять положение оси разделителя сред относительно М.Ц.В. Начальное значение бо задают равным 26.

Регулировку эксцентриситета в датчике выполняют следующим образом. Датчик пол- ностью собирают, измеряют частоту колебаний струны FO при атмосферном давлении, затем во внутреннюю полость разделителя сред, например сильфона, подают избыточное давление и измеряют частоту колебаний струны Рд. В том случае, если Рд отличается от Ро, поворотом эксцентриковой втулки добиваются того, чтобы Рд сравнялось с Ро. После этого закрепляют эксцентриковую втулку гайкой 8 и датчик готов к градуированию.

Формула изобретения Датчик силы, содержащий корпус, струнный элемент, закрепленный одним концом в корпусе, а другим - на подвижной опоре, кинематически связанной с силовос- припимающим элементом и корпусом, упругий шарнир, а также разделитель сред, связанный с корпусом, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и стабильности, в него введена эксцентриковая втулка, связанная с разделителем сред с силовоспринимающим элементом и с подвижной оаорой, которая связана с корпусом через упругий щарнир, ось которого направлена под углом а к продольной оси силовос- принимающего элемента, равным

, Ри а arctg j

где Ри - верхний предел измеряемой силы; PC - максимальное значение силы, воспринимаемой струнным элем.ентом.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к области измерения силы посредством частотных преобразовательных элементов. Цель изобретения - повышение точности и стабильности. Это достигается введением в датчик эксцентриковой втулки 6, связанной с подвижной опорой 4 и силовоспринимающим элементом 3. Измеряемая сила через эксцентриковую втулку 6 и подвижную опору 4 передается на струйный элемент 2. Кроме того, подвижная опора закреплена в корпусе 1 при помощи упругого шарнира 5, ось которого наклонена под определенным углом к продольной оси силовосприкимающего элемента 3. Для герметизации внутреннего объема датчика используется разделитель 7 сред, связанный с эксцентриковой втулкой 6 и корпусом 1. 2 ил. i W

Рб

Ось pa3dejitJ/77e

сред

Ц}и2. г