Способ измерения силы с компенсацией температурной погрешности Советский патент 1991 года по МПК G01L1/00 G01P15/00 

ON

ю

К)

VJ

00

Изобретение относится к прецизионному машиностроению и предназначено для измерения усилий в устройствах прямого преобразования, имеющих малодемпфированные стержневые (балочные) упругие чувствительные элементы, работающие на изгиб.

Целью изобретения является повышение точности измерения силы электромеханическими устройствами с балочным упругим элементом.

На чертеже представлена упрощенная функциональная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит балочный упругий чувствительный элемент 1, консольно закрепленный в корпусе 2. На самом чувствительном элементе 1 в зоне его наибольших изгибных напряжений размещен вторичный измерительный преобразователь, условно обозначенный на чертеже зоной 3. В качестве такого преобразователя может быть использован, например струнный автогенератор, пьезоэлектрический элемент, тензорезистивный мост с наклеенными тензоэлементами. Вторичный измерительный преобразователь может бьпь образован и непосредственно в материале балки и выполнен, например, на поверхностно-акустических волнах (ПАВ) или с нанесением пьезо- или тензорезистивных элементов, Этот случай условно отмечен на поз.З . Вторичный измерительный преобразователь может быть установлен и у конца чувствительного элемента, например, преобразователи емкостного или фотоэлектрического типа, Этот вариант отмечен поз. 3 Для успешной реализации способа необходимо условие отсутствия принудительного демпфирования либо наличие относительно малого естественного демпфирования за счет внутреннего трения в материале чувствительного элемента или демпфирования окружающей балку газовой средой. Обычно это выполняется в большинстве силоизме- рительных устройств стержневого типа. Вторичный измерительный преобразователь 3 подключен к входу усилительно-преобразовательного устройства (УПУ)-4 (им может быть в простейшем случае усилитель, частотно-зависимая электронная схема, канал выделения разностной частоты и т.п. в зависимости от типа вторичного измерительного преобразователя). Выход УПУ-4 подключен к регистрирующей аппаратуре 5 (например стрелочному или цифровому индикатору). Кроме этого, выход УПУ-4 соединен с частотомером 6. Устройство снабжено ударным механизмом, состоящим из закрепленной в корпусе 2 консопьной биморфной пластины 7

с бойком 8, электроды которой подключены к выходу источника импульсного напряже- лия 9.

Предложенный способ реализуется

следующим образом.

При калибровке силоизмерительного устройства в заводских либо в лабораторных условиях перед началом цикла измерений определяют собственную частоту

свободных изгибных колебаний чувствительного элемента в направлении измерительной оси. Определение частоты при этом возможно как при подключении источника 9, так и на ударном стенде в процессе вибро-ударных испытаний изделия. Далее, непосредственно перед началом измерения (приложением измеряемой силы) от источника 9 задается ударное возмущение чувствительного элемента 1 благодаря изгибу

пластины 7 и ее быстрого возвращения в исходное положение послеснятия импульса напряжения.

В процессе колебаний элемента 1 частотомером б производится определение текущего значения собственной частоты колебаний чувствительного элемента, Следует заметить, что, если измеряемый силовой параметр F в процессе нагружения

балки чувствительного элемента не вносит дополнительную (присоединенную) массу и не меняет ее изгибную жесткость, как это имеет место в акселерометрах, то выше описанную операцию определения текущей часлоты можно производить и в процессе измерения

Следующая операция способа - определение частного от деления текущего значения собственной частоты на значение

собственной частоты при калибровке и возведение результата деления в квадрат производится численно по результатам измерения. Возможна и аппаратурная реализация этой операции, как и реализация последующей,

последней операции, связанной с введением поправки в результат измерения силы домножением значения показаний силоиз- мерителя на квадрат частного от деления искомых частот.

Эффект температурной компенсации

результатов измерения в данном способе достигается следующим образом.

Сигнал с выхода силоизмерителя при калибровке можно представить в виде

11пыхТо КТоР,(1)

где кто - крутизна характеристики преобразования силоизмерителя при температуре Т0, при которой калибровка производится;

F- прикладываемая (измеряемая) сила. В то же время kTo можно выразить

Кп

MO

(2)

f - текущая частота балки, измеренная непосредственно перед ее нагружением измеряемым усилением F.

Из теории свободных колебаний стерж

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения усилий в устройствах прямого преобразования. Целью изобретения является повышение точности измерения силы электромеханическими устройствами с балочным упругим элементом. Предварительно при калибровке измерительного устройства определяют собственную частоту свободных колебаний балочного упругого чувствительного элемента 1. Непосредственно перед измерением или в процессе измерения определяют текущее значение его собственной частоты свободных колебаний. Температурно- зависимую поправку определяют как квадрат частного от деления текущего значения собственной частоты на значение собственной частоты при калибровке и умножают текущее значение выходного сигнала на вычисленную поправку. 1 ил. Ё

где Ст0 жесткость балочного чувствительного элемента на изгиб при температуре Т0,

Кп - произведение коэффициентов преобразования вторичного измерительного преобразователя и последующих функциональных элементов силоизмерителя вплоть до указателя (регистратора).

Жесткость балочного чувствительного элемента при текущих измерениях можно представить

С Ст0 1 + («Е -+ я ) А Т + а с а д Т2 АСТО,(3)

где «Е температурный коэффициент изменения модуля Юнга материала балки,

о. - температурный коэффициент линейного расширения материала балки.

А - коэффициент, учитыплющий изменение параметров материала упругою эпе- мента от температуры.

Таким образом, с учетом (1) - (3) при условии, что температурными нестабильно- стями других элементов можно пренебречь, текущая величина выходного сигнала сило- измерителя выразится 1

U

kTo7F.

(4)

Домножим теперь правую и левую части выражения (4) на отношение f /f2To, получим

f2,o

k

1

Т°Х

f

где fr0 частота собственных изгибных колебаний балки чувствительного элемента в направлении приложения измеряемой силы, измеренная в процессе калибровки силоизмерителя,

и

что Я ,

f2To

(6)

10

15

20

25

30

35

40

45

тогда с учетом (1) имеем f2

UBUX -J - KToF - U|iblXT0

f TO

Таким образом.из вышеприведенного следует, что в предложенном способе за счет дом- ножения выходного сигнала силоизмерителя на квадрат чдстнсго от деления частот Рэлки его чувствительного элемента, определенных перед измерением и при калибровкесилоизмерителя, достигается температурная компенсация погрешности сипоизмермтелл, обусловленная температурными изменениями свойств материала чувстпительного элемента

О о р м у л а изобретения iгособ измерения силы с компенсацией 1вмпрратурной погрешности, заключающийся в фиксировании текущего ЗППЧРНИЯ выходного сигнала и введении n HGTO тем- пературно зависимой поправки от л и ч а- ю щ и и с и ем, что г цепью повышения точности измерение си/ты лектпомехэни- ческими устройствами с балочным упруг им элементом, предварительно при калибровке устройства определяют собственною частоту свободных колебаний чувствительного элемента, для устройств с контактным измерением силы непосредственно перед измерением, а для устройств с бесконтактным измерением силы непосредственно перед измерением или в процессе измерения определяют текущее значение собственной частоты свободных колебаний, при этом температурно-зависимую поправку определяют как квадрат частного от деления текущего значения собственной частоты на значение собственной частоты при калибровке и умножают текущее значение выходного сигнала на вычисленную поправку.