Способ измерения сил магнитоупругим преобразователем Советский патент 1990 года по МПК G01L1/12 

Изобретение относится к силоизме- рителышй технике и может быть исполь зовано при измерении сил кагнитоупру- гимн преобразователями.

Даль изобретения - повышение точности и уменьшение времени измерения. На фиг. 1 показана схема магнито- упругого преобразователя; на фиг.2 - схема замещения его магнитной цепи в виде магнитного моста; на фиг. 3 - вебер-амперные характеристики.

Магнитоупругий преобразователь (фиг. 1) имеет воспринимающий измеря- емую силу F сердечник 1 в виде пакета ферромагнитных пластин, в центральной части которого имеется четыре отверстия 2, 3, Л, 5 для двух взаимно перпендикулярных обмоток. Намагничива- юшдя обмотка 6 питается переменным током при стабильном напряжении на ее зажимах. С выходной (сигнальной) обмотки 7 снимается напряжение, зависящее от силы F. Выходное напряже- ние измеряется прибором 8,

Намагничивающая обмотка создает ,замыкающийся вокруг отверстий 2 и 3 (фиг. 2) магнитный поток, мгновенное значение которого

Ф Фх + Фу ,

где фх - магнитный поток в горизонтальных участках сердечника, расположенных между

отверстиями 3, 5 и 2, 4; Фу - магнитный поток в вертикальных участках сердечника, расположенных между отверстиями 3, 4 и 2, 5. Под действием силы F магнитное сопротивление вертикальных участков увеличивается. При этом магнитный поток fp перераспределяется между го

ризонтальными и вертикальными участками сердечника, расположенными между отверстиями для обмотки.

На фиг. 2 в измерительную диагональ моста включен элемент, сопротивление которого эквивалентно сопротивлению участков, по которым проходит поток Фу, сцепленный с выходной обмоткой. Плечи моста с сопротивлением Zyявляются активными, т.е. воспринимающими измеряемую величину. Сопротивление Zyзависит от силы F, действующей на магнитоупругий преобразователь. Плечи моста, сопротивление которых обозначено через Z, яв- , ляются компенсационными.

Путам простейшей аппроксимации реальные вебер-амперные характеристики участков сердечника магнитоупругого преобразователя представим ломанными линиями.

На фиг. 3 в координатах мгновенных значений магнитных напряжений и потоков показаны вебер-амперные характеристики плеч моста, приведенного на фиг. 2. Характеристику 9 имеют все плечи моста при градуировке, если действующая на преобразователь сила равна нулю При этом в каждом плече моста поток равен 0,5.

Под действием силы F сопротивление Zy активного плеча увеличивается и его вебер-амперная характеристика принимает вид 10 при градуировке или 11 при рабочем измерении, если есть погрешность. Допустим, что изменение, магнитного состояния активного плеча I под действием силы F совершается в два этапа. В начале при потоке в пле-j

че, равном 0,5 от точки 12 к точке 13 или 15. Затем, на втором этапе, вследствие увеличения сопротивления плеча Zy , поток Фц уменьшается, а после завершения второго этапа, состояние плеча характеризуется точкой

14 при градуировке или 16 при рабочем измерении.

Фиг. 2, 3 и описанная модель изменения магнитного состояния активного плеча под действием силы F позволяет записать

Изобретение относится к силоизмерительной технике и может быть использовано при измерении сил магнитоупругими преобразователями. Цель изобретения - повышение точности и уменьшение времени измерения. Запитывают намагничивающую обмотку 6, расположенную в отверстиях 2,3 преобразователя 1, переменным током прямоугольной формы. Градуировку и рабочие измерения выходного сигнала обмотки 7 производят при двух значениях индукции в сердечнике преобразователя 1. Измерения проводят в пределах одного полупериода изменения выходного напряжения преобразователя. Измеряют амплитудное значение U₁ или U_1P выходного напряжения, соответствующее минимальному значению магнитной индукции, и значение выходного напряжения U₂ или U_2P в конце или в начале полупериода, когда магнитная индукция близка к своему максимуму. По значениям градуировочных характеристик U₁(F) и U₂(F) по формуле U₃=2U₂ - U₁K, где K - отношение средних значений напряжений U₂(F) к U₁(F) в диапазоне измерения, рассчитывают третью градуировочную характеристику U₃(F). При рабочем измерении по напряжению U_3P=2U_2P-U_1PK из градуировочной характеристики U₃(F) находят измеряемую силу. 3 ил.

ч - и - из О

U4 (Zm + Лч + SF + U4F) | - (Ry +fly) 31tAfB

Mzm+aof + R,+ft)S±A±

«Pa

Z ФГ+ДФ,

z де Ua, U,, Ug - магнитные напряжения активного и компенсационного плеч и измерительной диагонали моста;

- поток в измерительной диагонали моста при градуировке;

&Ф - часть потока Ф в измерительной диагонали моста, соответствующая погрешности; статическое сопротивление плеча при градуировке при F . 0 при Фу ф, 0,5;

-дифференциальные сопротивления активного и компенсационного плеч соответственно;

-сопротивление измерительной диагонали моста;

чувствительность активного плеча к измеряемой силе F при Фч 0,5 Ф,

R9 RX

51

S

у А

As

- изменения соответственно сопротивления плеч моста Zy, Zx и чувствительности S при Ф Фу 0,5 Я5 по причинам, вызывающим погрешность;

14 У Д°6авочные дифференциальные сопротивления активного и ком(D

0

5

0

5

0

5

0

5

пенсационного плеч моста, возникающие вместе с погрешностью.

Предлагаемый способ измерения основан на зависимости дифференциального манитного сопротивления ферромагнитного тела, находящегося в поле катушки с током и под действием других сил электромагнитной или неэлектромагнитной природы, от числа этих сил.

Под силами в данном случае принимаются механические напряжения, изменение температуры, магнитные напряженности посторонних магнитных полей и все другое, что приводит к изменению магнитного сопротивления ферромагнитного тела.

По принятой здесь модели преобразования при появлении сил, которые отсутствовали при градуировке, возникают добавочные дифференциальные сопротивления V,. и $х . При наличии :основной силы появление еще одной иной или той же природы, но приложенной к сердечнику преобразователя в другом месте или другим способом, обусловливает новое состояние ферромагнитного тела, которое невозможно воспроизвести за счет изменения основной силы.

Для данного анализа зависимость Ry, Rfc от F и влияющих величин не имеет значения. Специально выделены добавочные дифференциальные сопротивления $„, которые возникают вместе с приращениями йу,/ дх статических сопротивлений при появлении

добавочной силы, т.е. при изменении какой-либо влияющей величины по сравнению с ее значением при градуировке.

Добавочные дифференциальные сопро- тивления (ViujVui) возникают, когда влияющие величины изменяют распределение удельного сопротивления в сердечнике, вносят дополнительную неоднородность в это распределение,

Лабораторные исследования, приведенные на преобразователе с сердечником из электротехнической стали марки ЭЗЗО показали, при малом, например при нул евом5 значении индукции в диагональном сечении сердечника между отверстиями для намагничивающей обмотки дополнительное изменение дифференциального сопротивления не возникает. При этом и My равны нулю, а погрешность вдвое больше, чем при большем (более 1,5 Тл) значении индукции,, Эта экспериментально установленная связь между магнитной индукцией и погрешностью положена в основу спо- соба измерения сил.

Способ осуществляется следующим образом.

Зачитывают преобразователь переменным током прямоугольной формы. Онима- ют градуировочные характеристики U (F) и Up(F) и рассчитывают третью градуировочную характеристику UjCF), значение которой определяются из следующего выражения.

U3 2UU - U4K,(2)

где Ut - наибольшее значение выходного напряжения в интервале всего полупериода его измерения (при заданной силе F); и - наибольшее значение выходного напряжения в начальной части, например в первых 15% полупериода, когда индукция близка к своему мак- симальному значению; К - отношение среднего значения Ufj(F) к среднему значению U.j (F) в диапазоне измерения . При прямоугольной форме кривой напряжения намагничивающей обмотки форма напряжения выходной обмотки, как показал эксперимент существенно отличается от прямоугольной. Поэтому выходной сигнал U или зависит от того насколько момент его измерения отстоит от начала полупериода. При этом Ui 7 .

Поскольку величина К определена как отношение среднего значения (F) к среднему значению Ui (F) в диапазоне измерения

и,к и2;

(3)

и,, & и.

При рабочем измерении измеряется обозначенное через U1p наибольшее значение выходного напряжения в течение всего полупериода его изменения.

Максимуму выходного напряжения соответствует нулевое или близкое к нулевому значению магнитного потокаФ При малых значениях потока равны нулю добавочные сопротивления и уменьшение погрешности за счет этих сопротивлений не происходит, вследствие чего выходной сигнал содержит полную погрешность магнитоуправля- емого преобразователя.

Таким образом

Uip U, + См ,(4)

где U,t - значение градуировочной характеристики U(F) при силе F, равной измеряемой силе при рабочем измерении; Д - полная погрешность магнито- упругого преобразователя.

Второе измерение выходного напряжения делается в начале полупериода. При этом сигнал Uijp при рабочем измерении, как и сигнал Ug. при градуировке, измеряется при индукции межд отверстиями для намагничивающей об1- мотки, превышающей 1,5 Тл. При такой индукции погрешность наполовину скомпенсирована за счет появления добавочных сопротивлений „, $% . Выходное напряжение при втором измерении равно

U

ч

и« +Ь ,

(5)

где U«2 - значение градуировочной

характеристики y(t-) при силе F, равной измеряемой силе при рабочем измерении; остающаяся погрешность преобразователя.

Подставляя в формулу

U3P 2U4p- U,pK,(6)

значения U,p и Uap из (4) и (5), получаем выражение

игр Uj + (2/W - ), которое с помощью (2) преобразуем к виду

USp - U3 + (2 ft .г - Д ,K)

Рассматривая Д, как мультипликативную погрешность, в соотвтствии с (3), считаем величину полной погрешностью, которая содержалась бы в Ucp при равенстве нулю fly и ftf .

Напряжение измеряется при индукции, превышающей 1,5 Тл, при которой остающаяся погрешность ,й приблизите но вдвое меньше полной погрешности, равной Дц К. Поэтому

2Лй- 4„К 0,

а величина Uap , в отличие от U (р и Uар практически не содержит погрешности и не отличается от Из

Таким образом по напряжению игр из градуировочной характеристики U(F) находят измеряемую силу.

Формула изобретения

Способ измерения сил магнитоупру- гим преобразователем, заключающийся в том, что снимают градуировочные характеристики при двух значениях магнитной индукции в сердечнике преобразователя, а затем прикладывают измеряемую силу и измеряют выходные сигналы при тех же соответственно

«

двух значениях магнитной индукции, отличающийся тем, что, с целью повьшен 1я точности и уменьшения времени измерения, при каждом значении эталонной или измеряемой силы измерения выходных сигналов при градуировке или при рабочем измерении производят в пределах одного полупеJQ риода изменения выходного напряжения преобразователя, измеряя амплитудное значение выходного напряжения, соответствующее минимальному значению магнитной- индукции, и значение выход15 ного напряжения в конце или в начале полупериода по истечении 10-15% его времени, причем по значениям первых двух градуировочных характеристик U и %по формуле U, 2Vii - U,K pac0 считывают третью градуировочную характеристику из, которую запоминают вместе со значением К, а при рабочем измерении по напряжению U3P 2Uap U,PK

5 из градуировочной характеристики U3 находят измеряемую силу, где К - от- , ношение среднего значения U4 к среднему значению U в диапазоне измерения, и,р , - значение выходного

0 .напряжения в конце или в начале его полупериода при рабочем измерении...

7у

0

Фиг. 2

Фу.Фх

Ф

2

ч

фуг. 3

Ш

+лф

Uyg