Весы с электромагнитным уравновешиванием Советский патент 1989 года по МПК G01G7/02 

ретсния является повышение точности и расширение диапазона взвешивания. Весы с электромагнитным уравновешиванием содержат коромысло 1, трансформаторный преобразователь 5 отклонения, подвижный элемент 4 которого в виде полого цилиндра из немагнитного проводящего материала 1одвеи1ен к одному плечу коромысла 1, генераторная катун ка 8 подключена к генератору 22 высокой частоты, а две одинаковые приемные катушки 10 и 11 расположены соосно с генераторной катушкой 8 на одинаковом расстоянии от ее центра. Весы также содержат усилител) 19, фазовращатель 20, регистратор 21, усилитель 23 мощности и электромагнитный компенсато|) 12, подвижный элемент 18 которого вьпю.ч- нен полностью идентичным подвижному элементу 4 трансформаторно1 о преобразователя 5 отклонения, подвен1ен к другому плечу KopOMbic. ia 1 и расположен в кольцевом зазоре между полкками броневого сердечника 13 электромагнита переменного тока. Катушка 16 электромагнита и катушка 17 возбуждения электромаг нитного компенсатора 12 выполнены двухсекционными, секции каждой из 16 и 17 расположены на центральном стержне сердечника 13, выполненного из диэлектрика, по обе стороны от выступа образующего один из полюсов электромагнита. При этом

секции катушки 16 включены встречно и соединены с вы.ходом усилителя 23, а секции катушки 17 включены последовательно и соединены с выходом регистратора 21. Приемные катушки 10 и 11 преобразователя 5

отк. юпения соединены встречно и носледо- вате,;1ьно подключе)1ы через усилитель 19, фазовращатель 20 и регистратор 21 к катушке 17, а вход усилителя 23 подключен к ныходу енератора 22. 1 ил.

Изобретение относится к весоизмерительной технике и может быть использовано для точных взвешиваний в условиях воздействия магнитных полей помех, а также при измерениях магнитной восприимчивости силометрическими методами. Целью изобретения является повышение точности и расширение диапазона взвешивания. Весы с электромагнитным уравновешиванием содержат коромысло 1, трансформаторный преобразователь 5 отклонения, подвижный элемент 4 которого в виде полого цилиндра из немагнитного проводящего материала подвешен к одному плечу коромысла 1, генераторная катушка 8 подключена к генератору 22 высокой частоты, а две одинаковые приемные катушки 10 и 11 расположены соосно с генераторной катушкой 8 на одинаковом расстоянии от ее центра. Весы также содержат усилитель 19, фазовращатель 20, регистратор 21, усилитель 23 мощности и электромагнитный компенсатор 12, подвижный элемент 18 которого выполнен полностью идентичным подвижному элементу 4 трансформаторного преобразователя 5, подвешен к другому плечу коромысла 1 и расположен в кольцевом зазоре между полюсами броневого сердечника 13 электромагнита переменного тока. Катушки 16 электромагнита и катушки 17 возбуждения электромагнитного компенсатора 12 выполнены двухсекционными, секции каждой из катушек 16 и 17 расположены на центральном стержне сердечника 13, выполненного из магнитодиэлектрика, по обе стороны от выступа, образующего один из полюсов электромагнита. При этом секции катушки 16 включены встречно и соединены с выходом усилителя 23, а секции катушки 17 включены последовательно и соединены с выходом регистратора 21. Приемные катушки 10 и 11 преобразователя 5 соединены встречно, и последовательно подключены через усилитель 19, фазовращатель 20 и регистратор 21 к катушке 17, а вход усилителя 23 подключен к выходу генератора 22. 1 ил.

Изобретенпе относится к весоизмеритель- Hoii технике и может быть использовано для точных взвен иваний нри проведе 1ии исс, 1едований и количественных ана.шзов в условиях воздействия значительных элек- громагнитных полей помех.

Цель изобретения - iioBbimeime точности и расп1ирение диапазона взвешивания.

Па чертеже изображена схема пред- .чагаемых весов.

Вес1з1 содержат коро.мысло 1, KOTopcje при помощи опорной призмы 2 установлено на нодушке 3. К одному из плеч коро- мькма 1 подвеи1ен подвижный элемент 4 трансформаторного преобразователя 5 отклонения и грузоприемная чашка 6, на которой размещен взвешиваемый груз 7. Транс- фор.маторный преобразователь 5 отклонения состоит из |-енераторной катушки 8 с ферромагнитным сердечником 9, двух идентичных 11(1иемных катушек 10 и 11, расположенных соосно 14 нераторной катушке 8 на одинаковом расстоянии от ее центра и подвижного элемента 4, выполненного из не.маг- нитного проводящего материа. ш в виде нолого цилиндра. Электромагнитный компенсатор 12 выпатнен в виде неподвижно закрепленного на основании весов э.чектромагнита переменного тока, состоящего из магнитоди- электрического сердечника (магнитопрово- да) 13 броневого типа, полюса 14 и 15 которого образованы выступами на центральном стержне и стенках сердечника, двухсекционной катущки (обмотки) 16 электромагнита и двухсекционной катушки (обмотки) 17 возбуждения, а также подвижного папого цилин-- дра 18, идентичного по форме, размерам и материалу подвижному элементу 4 транс5

0

форма го|)11ого преобразоЕкгге.ля Г) отклонения. ЛЕ у секционные катушки. 16 и 17 электромагнита 16 и возбуждещ1я соогнегствеино размещены на центральном стержне се|)- ;;ечника так, что секции каждой из кагушек

раСП(;.ЮЖеНЫ по обе сторон, f: 1О. 1ОСО(

14 1 15 сердечника, :i)i эгом 16 э.лектромагнита включень встречно, а капушки 17 возбужд(. вк.К)

согласно. 11оДВИЖНЫЙ ПОЛЫ11 18

свобод 1о одвеще к ко)омыслу I весов гак, что он распо. южен в ко.чьцевом зазоре

5 между 1о;посов сердеч шка (ма вода) 13 э.ектромаг1 ита ept. Mei)0 о тока Приемные катущки Ю и II реобразо вателя 5 отклонения соединс1 1 встречно и нодключены к вх(.)ду уси.чителя 19. к

Q выходу которого через фазовра 1а л ль 20 и 1)е истратор 21 нодключена .iyxceK uioi - ная катушка 17 возбуждения. К выходу I енератора 22 высокой часг лы подключены 1 ене)ато)ная 8 нреобразонателя 5 отк.чоненця и вход усилителя 23 моии1ос И,

5 к выходу которого подключена двухсск 1ион- ная катушка 16 э.чектро Лаг нита ко.мненса- тора 12.

Весы работают следующим образом. Пос.че включения весов сигна.л с выхода генератора 22 высокой частоты подается

0 на усилитель 23 моп1 1ости, усиливается им и поступает в двухсекционную катушку 16 элект)ома нита компенсатора 12. Так как катуи ки 16 включены всч речно и расположены на центральном стержне сердечника 13 по обе стороны от выступа,

образую цего один из его полюсов 14, то магнитные нотоки 24, создаваемые пере- менн)м током, протекаю 1им но обоим секциям KaiyiiiKH 16, будут направлены встречно и замкнутая вдоль обозначенных пунктиром линий 24. В результате между iio.iro сами 14 и 15 сердечника 13 электромагнита компенсатора 12 возникает переменное магнитное ноле. Амплитуда индукции В магнитного поля пропорциональна амплитуде переменного тока в катушке 16, оста ю- шегося в процессе работы, а частота равна частоте сигнала на вы.ходе генератора 22 высокой частоты. Одновременно сигнал с вы.хода гене)атора 22 высокой частоты поступает на генераторную катушку « трансформаторного преобразователя 5 отклонения. При наложении груза

7на чашку 6 весов, коромысло I отклоняется от положения равновесия, что приводит к возникновению на выходе встречно вк;1К)- ченны.х п)иемных катушек 10 и II транс- фог)маторного преобразователя 5 отк, |оне- ния сигнала переменного тока. Уровень сигнала на выходе преобразователя 5 отклонения П)ог1орционй. 1ен уг лу отклонении коромысла 1 от по.южения равновесия, а е|Ч) фаза зависит пт направления шения (вниз или пве)х) плеча коромысла, связанно о с подвижным элементом -- полым ци, 1инд)ом 18 преобразователя 5 огк, не)1ия Фаза cm нала отклонения изменяется на 180 при нереходе коромысла через положение равновесия. (д1гна, отклонения переменного тока поступает на вход усилителя 19, усиливается и через фазовращатель 20 и регистратор 21 подается в секционнук) катуп1ку 17 возбуждения.

Так как секции катушки 17 |юзбуждения вклк)чен1,1 cor, iacHo, it.) магнитные потоки, создавае.мьи, протекаюн.1им но ним переменным током, имеют одинаковое нап|)авление.

8результате магнитный поток 25, создаваемый катушкой 17 возбуждения, .замыкается по цент)а,чьн(му и боковым стержням сердечника 13 вдоль обозначенньгх нунк- тиром линий 25.

Так как магнитное сопротивление дечника 13 в тысячи раз меньше сопротивления воздуп1но|-о зазора между полюсами, то практически весь магнитный ноток 25 возбуждения пройдет по сердечнику 13, а потоки рассч ивания, в частности в межполюсном пространстве, будут n)eni - брежимо малыми.

11еремеиный ма1Д1итный поток 25 наводит в HewaiHHTHOM проводящем цилипдре 18 комненса гора 12 токи Фукг) (ви.хревые токи), кото)ые замыкаютс я по окружностям, лежащим в плоскостях, перпендикулярных оси цилиндра. Амплитуда этих токов прямо пропорциональна а.мпли- туде наводящего их магнитного потока 25, т.е. току катушки 17 возбуждения, и обратно пропорциональна удельному э,тектри- ческо.му сопротивлению материала гкхлою цилиндра 18, а также зависит от геометрических размеров пос.леднего. Наведенные токи образуют суммарный наведенный круговой ток полого цилинд|)а 18, частота которогч) равна частоте тока возбуждения. Наведенный ток отстает по фазе от тока возбуждения на 90° и равен

.

10

амплитуда переменного к)угового тока, протекающего в полом немаг нитном проводящем цилиндре 18; Р - удельное электрическое сопротивление материала по,1С)го ци,линд- ра 18;

5 It -- амплитуда переменного тока протекающего по катушке 17 возбуждения;

..)частота тока возбуждения;

ц-угол сдвига фаз между током

возбуждения и круговым током 20ци,линдра;

ч коэффициент учитывающий геометрические размеры полого цилиндра 18.

К|пговой ток, протекакпций по стенкам 25 подвижного по, 1ого цилиндра 18, находя- ннч ося в зазоре между полюсами 14 и 15 :(.им 1ромагнита компенсатора 12, взаимодей- сгихч т с магнитной индукцией перемепного по.ля. создаваемой электромагнитом. В ре- iy.ibraTc этого взаимодействия во шикает 30 си.41 F. действующая на полый ци,индр 18 и врашакялая коромысло I весов в no, io- женпс, б,1изкое к исходному положение 1;111Н1пич ИЯ. В случае С(Жпадения фазм hjsy много лока в по.лом ци,линд|1С 18 с магнитной индукции В поля между no,iio- 35 ; ам;| 14 и 15 э,лектромагнита компенса тора, мгновенное значение уравновешиваю 111ей силы Р„ будет равно

B,:,Sinwl I й„.. ГС11/,( 2)

среднее за период;

/vr ,,,:{ -

/ г

(Y;.S-,,,/ ) 1ц1 B,,,dt-l I ц/ 8,::COS,ldt

амп,литуда магнитной индукции переменного поля между полюсами 14 и 15 электромагнила компенсатора 12;

длина рабочего участка кругово1Ч)

тока полого цилиндпа 18;

.

Гаки.м образом, среднее за период зна- чение у равновеп1ивающей силы Г. действующей на полый цилиндр 18, пропорционально амплитудному (или действующему) значеиию протекающего по нему Kpyi OBOixj тока, т.е. току катушки 17 возбуждения, а следовательно, углу отклонения коромыс;1а 1 от положения равновесия. Направление действия силы зависит от направления кругового тока в полом цилиндре 18 и индукции магнитног о ноля между полкх ами 14 и 15 электромагнита компенсатора 12. Так как ток и индукция изменяются с одинаковой частотой, то направление действия силы не изменяется со временем. Л 1 новенное же значение силы изменяется от нуля до максимального с удвоенной частотой. Однако циклическое изменение силы с частотой даже в несколько десятков Гц (а тем более выше) в силу инерционности коромысла 1 не п)иводит к его колебаниям или раскачиванию и не нарушает нормальной работы весов. Исключение фазового сдвига между круговым током и магнитной индукцией обеспечивает получение максимального уравновешивающего усилия при выбранны.х параметрах компенсатора. При biTOM магнитный поток. 24 дву.хсек- ционной катуп1ки 16 :1лектрома1иита не в, 1пяет на величину круговых токов в полом цилиндре 18, так как вектор магнигной индукции создаваемого ей магнитного поля направ.тен в межпо.чюсном пространстве пернендикулярно поверхности по.то1Ч) пи- липдра 18. В свою очередь, магнитный поток 25, двухсекционной катушки 17 возбуждения, паводяши круговые токи в Ц)лом цилиндре 18, не влияет на значение магнитной индукции в межио,1юеном пространстве сердечники 13 : лектромагнита комиен- саюра 12, так как пп.;н1остью зам1 1кается но сердеч нпку 13. Поэтому тяговая xajiaK- теристика предлагаемых весов CTpoio линейна. В то же время на,1ичие сердечника 13 увеличивает .индуктивную связь между катушкой 17 возбужде11ия и иолым цилиндром 18, а след{)ва1е. 1ьно, и наводимые в нем круговые токи. В результаге резко возрастает тяговое усилие электромагнитного компенсатора 12. т.е. значительж) расширяется диапазон автоматического взвешивания. Вынолнение сердечника 13 электромагнита из магнитодиэлектрика высокочастотного магнитного материала позволяет уси,тенный сигнал с выхода трансформаторного преобразователя 5 отклонения подавать в катушку 17 возбуждепия электро 1агпит- пого компенсатора 12 без преобразования его частоты, что, безусловно, нов| пцает точность передачи сигпала отклонения, а следовательно, и точность взвен1ивания. В результате вынолнения сердечника 13 из магнитодиэ.тектрика значение .магнигной индукции в межнолюсном пространстве э,1ектромагнита снижается (по сравнению со случаем, когда он изготовлен из элек- троте.хнической стали или феррита, а частота возбуждения не превышает нескольких сотен Гц), однако это снижение во много )аз

перекрывается увеличением значения наведенных в полом цилиндре токов, как за счет усиления индуктивной связи между катушкой 17 возбуждения и полым цилиндром 18, так и за счет применения токов возбуждения значительно более высокой частоты.

Таким образом, иснользование предлагае- мы.х весов нозволяет, во-первы.х, исключить влияние ноля электромагнита компенсатора

0 12 на наведенный круговой ток в нодвиж- ном элементе - полом цилиндре 18 и одновременно исключить влияние поля катушки 17 возбуждения на поле в межполюсном пространстве электро.магнита, а также лине5 аризовать тяговую характеристику электромагнитного компенсатора 12 и, следовательно, повысить точность взвешивания, во вторых, усилить индуктивную связь между катушкой 17 возбуждения и полым цилиндром 18, б, а одаря чему значительно увели0 чить тя1 овое усилие электромагнитного компенсатора 12 и рас|пирить диапазон взвеи1И- ваг1ия в сторону больших значений, в-третьих нодавать сигнал с выхода трансформаторного преобразователя 5 отклонения в катуш5 ку 17 В(гзбуждения элекгромашитного компенсатора 12 без преобразования частоты СИ Ha.ia, т.е. уменьшить погрешность передачи си1 на,1а отклонения и новысить точность взвешивания.

Пример. Был изготовлен макет предла

0 гасмых автоматических весов с э,-1ектрома1 - нитным урав11овеп1иванием. В макете использованы осн(Я4ные дета, и узлы серийно выпускаемых весов типа ВЛР -20 г. Ор- дечник э.К кгро.магнита переменного тока компенс;г1()|)а склеен из набора ко,1ец магни5 то:(лекгрика марки Р 20 1)азличпог( лиа- метра и стержня, имеющих начальную м;.м 1пг1 иую проницаемость около 10. Двухсекционная обмотка электромагнита содержит 60() Bi TKOB провода Г1ЭВ -2 диаметром

„0,4 мм. Расстояние между полюсами в кольцевом зазоре электромагнита равно 6 мм, средний диаметр зазора равен 31 мм, а высота 1о,.1юс()в равна 20 мм. (.)бмотка возбуждения электромагнитного ко м пенс а- юра, Г1редназ}1аченная д.тя наведения ЭДС

5 в уравновеишвающем полом электронроводя- шем немагнитном цилиндре состоит из двух встречно включенных | екций по 100 витков в каждой провода Г1ЭВ- 2 диаметром 0,2 мм.

Уравн(жен1Иваюни1Й цилиндр, выно. шен0 ный из алюминия, свободно подвешен к коромыс.ту весов и имеет внутренний диаметр 29 мм, внешннй диаметр 31 мм, а высоту 15 мм. При токе на выходе усилителя, равном 0,2 А, электромагнитный компенсатор развивает усилие до 6500 М1 .

5 П)еобразователь отклонения коромысла весов состоит из генераторной катушки, двух приемных, расположенных еоосно с гене- рггго ной, и подвижного элемеша, выполпенного в виде цилиндра, идентичного по форме, размерам и материалу подвижному элементу электромагнитного компенсатора и pa:iMeiiieHHoro в кольцевом зазоре между reHcpaTCjpiioH и приемной катушками. Подвижный элемент подвешен к ко)о- мыслу весов. Генераторная катушка имеет 400 витков провода ПЭВ- 2 диаметром 0,1 мм, приемные - но 200 витков такого же провода.

Генератор высокой частоты собран но схеме с мостом Вина на операционном усилителе КГ)44УД1. Стабилизация амплитуды выходнся о сигнала генератора осуществляется с 11омон1ью отрицательно обратной связи но пиковым значениям Bi,i- ходного напряжения. Частота генерации выбрана равной 100 кГц.

Усиляте. П) мощности собран но автомобильной с.хеме L изолированными полюсами источника пигапия и «аземленпой динамической средней TOMKOii В выходном каскаде усилителя мощности применены транзисторы КТ803А. В качесгве усилителя использована микро -хема К544УД1, а фазовра- шате;1ь построен но стандартной схеме. Ре1истрация массы звен1иваемого груза осуществляется с по.мошью вольтметра тина В7 28 по падению нанряжения переменного тока на (.1бразц(.)вом резисторе. Испытания макета показали, что, в резульгак псклк чеипя в.шянии 1о, 1Я электромагнита компенсатора 12 па ток в исхюм ци, 1ин ipc 18, и iio. iH катуип и 17 возбуждения на Ho.ie в меж11о,1Н)сном п)острансгвс э.1ект)о- маппгга. а также /си.к ния индуктивной связи межд) кату|пкой 17 возбуждения и КХ1ЫМ ии. 1инд|)ом 18, и исключения дв(.Г1Ного 11)еобразования частот) сигна/ а отклонения, 1|Н длагаемые весы с элсктро- ма нитн)1м уравновс (вак)т новьппение точности взве нивания в 3 5 раз и ) (Л)а взвен ивания в 10- 15 раз в сторо1 у значе 1 П1.

10

Формула изобретения

5

0

Весы с электромагнитным уравнове ни- , содержащие коромысло, трансфо ь маторный преобразователь, связанный с одним 1лечо.м коромысла, электрома нитный компенсатор, связанный с другим п,ечом коромысла, генератор высокой частоты, ер- вый усилитель и регистратор, причем форматорный преобразователь включает в себя первый чувствительный элемент, ,1- ненный в виде полого цилиндра из ) проводящего .матернала, re icpaгорную катушку, подключенную к генерато п ВЫСОКО частоты, и две идентичные нрием- н)е кату1нки, расположенные соосно с генераторной катушкой на одинаковом шс- от ее центра, отличающиеся тем, что, с целью повышения точности н расшн- рения дианазона взвен1ивания, они спабжс 1Ь фазовра цателем и вторым усилнте,1ем, ри этом э,тектромагнитный компенсатор ,1- нен в виде замкнутого броневого сердсч- )ика с 1ентральным стержнем из магнито- диэ,1ектрического материала, па 1ротиво о- ложнь х сторонах сердечннка и нг 1ентра.- ном стержне выполнены выстуны, обра- лруг к с образ()1а11ием ко,-1Ь 1евого зазора, второго чувстви re.) элсме 1та, идентич юго первому и разменкм - ного в коль 1евом зазоре, двух д ухсек и- () катуп ек элекгромагнит.ч и возбужде 0 1Я, котор)х размен1ены ia .ii,

iON стержне l() обе стороны от .

секцни в электрома TUI i вк,)1 встречно и соедине и с в)пло 1ерво() уси, 1ите, |я, а секции возбуждения включены СО ЛаСНО и COe.) с входом ре ИСТраТОра, ПрИеМ Н)1е К,1

вк. 1К)чены ослсдовательно встречно : через второй усилите,ть, фазовранхате.т) и ратор С(кминены с катуп кой возбужд| 1 я, а вход первого уси,тителя нодк.тючен к и ходу ie iepaTopa высокой частоть.

5

5