Преобразователь механических сил в широтно-модулированный сигнал Советский патент 1991 года по МПК G01L1/08 

Изобретение относится к силоизмери- тельной технике и может быть использовано в системах измерений обобщенных механических сил или давлений с применением вычислительной техники.

Цель изобретения - повышение точности измерений за счет возможности изменения амплитуды и периода автоколебаний.

На фиг. 1 приведена структурная схема преобразователя; на фиг. 2 - фазовые диаграммы работы преобразователя.

Преобразователь (фиг. 1) содержит механический элемент 1 сравнения, постоянный магнит 2, внутри которого движется сердечник 3, датчик 4 положения элемента сравнения, суммирующий релейный элемент, включающий два постоянных сопротивления 5 и 6, усилитель 7 постоянного тока, переменное сопротивление 8, опору 9, вокруг которой вращается элемент сравнения, катушку 10 скоростной коррекции и исполнительную катушку 11, намотанные на сердечнике 3. Катушки 10 и 11 соединены с соответствующими выходами суммирующего элемента. Выход суммирующего элемента является выходом всего преобразователя.,

Преобразователь работает следующим образом.

Измеряемое усилие F прикладывается к рычажному элементу 1 сравнения. Сигнал отклонения элемента сравнения с датчика 4 суммируется сумматором 5-8 с сигналом скорости, снимаемой с катушки 10, так что напряжение на выходе сумматора в зависимости от знака этой суммы принимает два фиксированных уровня Переключение уровня происходит с коррекцией во времени, определяемой шириной зоны гистерезиса сумматора. Зона гистерезиса регулируется потенциометром 8.

В зависимости от уровня выходного напряжения сумматора силовой элемент на катушке 11 или включает встречное по отношению к F усилие FQC. большее, чем F по абсолютному значению, или выключает его В соответствии с работой взвешигающего сумматора 5-8 значение усилия F0c обратной связи определяется следующим выражением

For - sign (V-aX-b signV),

где условно принято F0c ±1, причем Foc 1 соответствует включенному силовому элементу; F г - -1 - выключенному, диапазон измеряемых усилий в этих условиях F (-1,1); V - скорость элемента сравнения; X - его отклонение от положения равновесия: а. b -- коэффициенты определяемые сопротивлениями 5 6 8 сумматора

а -Ка R5/R6, Ь Кь R5/R8, где R5, R6, R8 - сопротивления резисторов 5, 6,8 соответственно;

Ка, Кь - коэффициенты пропорциональ- ности;

b - ширина зоны гистерезиса,

а - скорость сходимости переходных режимов.

При таком законе переключения Foc ус- тановившемуся режиму преобразования соответствуют автоколебания, в которых переключение силового элемента следует сразу за отклонением элемента 1 сравнения

Foc signX.

Предельный цикл установившихся автоколебаний образован участками парабол, соответствующих F0c 1 и FQC -1, сопрягающихся в точках (о, Ь) и (о, -Ь) фазовой плоскости (фиг. 2). Это следует из анализа уравнений движения рычажного механизма. Уравнения имеют вид

I

d V

- F - Fr

d X

V,

(1)

d t d t где I - момент инерции; 5t - время.

Из этих уравнений следуют выражения для фазовых траекторий dXV

d V F - Foc 0 или, интегрируя

АО

I

(V2 - V02) ,

(2)

F-FOC

где Х0, V0 - координаты точек, соответствующих начальным условиям.

5Нетрудно видеть, что уравнение (2) соответствует параболе в координатах (X, V), параметры которой определяются значениями F, Х0, V0(npn постоянных I, F0c). Периодическому режиму соответствуют

0 следующие значения начальных условий Х0 О, V0 ±b, поэтому при некотором F период и амплитуда автоколебаний зависят только от Ь. Требуемую величину b выбирают изменением сопротивления потенцио5 метра 8.

Выходной сигнал катушки 10, пропорциональный скорости движения элемента сравнения, вводят для коррекции переход0 ных режимов преобразования. Он приводит к наклону полупрямых фазовой плоскости, на которых происходит переключение уровня FOO против часовой стрелки на угол «, а, вокруг точек (о, Ь) и (о, -Ь). Параметры

5 установившихся колебаний от угла а не зависят, а зависит только скорость затухания переходных процессов.

Статическую характеристику преобразования определяют,интегрируя уравнение

(1) на двух последовательных участках постоянства Foe

Vi V0 + I (F - 1)tT

V0 - Vi + I (F + 1)tp , где tT - интервал времени, на котором F0c

л ,

I ,

tp - интервал, соответствующий F0c «-1. В силу периодичности значение V в начале одного участка равняется значению V в конце предыдущего.

Из этих уравнений имеют

1/ 2tT i v

-1).

I V tp + tr

где tp + tr Т - период автоколебаний.

Очевидно, что отношение tT/T - величина, пропорциональная F, и статическая характеристика Т.Т/Т линейна,

Режим преобразования является динамическим. В моменты отсчета механический момент сравнения находится в состоянии автоколебаний. Поэтому сухое трение в опорах рычажного механизма и элементах, передающих на него измеряемое усилие, а

также гистерезис силового элемента обратной связи, практически не вносят вклада в средний небаланс сравниваемых усилий, что повышает точность измерений.

Формула изобретения Преобразователь механических сил в широтно-модулированный сигнал, содержащий механический элемент сравнения, дат0 чик положения элемента сравнения, силовой элемент обратной связи с постоянным магнитом, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений за счет возможности изменения ампли5 туды и периода автоколебаний, в него введены катушка скоростной коррекции, расположенная в поле магнита силового элемента обратной связи, и суммирующий релейный элемент с настраиваемой зоной

0 гистерезиса, причем катушка подключена к одному из входов суммирующего релейного элемента, а к другому его входу подключен датчик положения элемента сравнения.

Изобретение относится к силоизмери- тельной технике и позволяет повысить точность измерений обобщенных механических сил или давлений. Измеряемое усилие F прикладывается к рычажному элементу 1 сравнения. Сигнал отклонения элемента сравнения с датчика 4 суммируется суммаФиг.1 тором, содержащим два постоянных сопротивления 5 и 6, усилитель 7 постоянного тока и переменное сопротивление 8, с сигналом скорости, снимаемым с катушки 10. Напря сние на выходе сумматора в зависимости от знака этой суммы принимает два фиксированных уровня. Переключение уровня происходит с коррекцией во времени, определяемой шириной зоны гистерезиса сумматора В зависимости от уровня выходного напряжения сумматора силовой элемент на катушке 11 или включает встречное по отношению к F усилие F0c. большее, чем F по абсолютному значению, или выключает его. В моменты отсчета механический элемент 1 сравнения находится в состоянии автоколебаний, отношение времени действия усилия F0c к периоду автоколебаний пропорционально измеряемой силе F. 2 ил. Ј О ьо -N hO 00 го