Крутильные весы Советский патент 1991 года по МПК G01G3/10 

Изобретение относится к устройствам для измерения малых сил, а именно к крутильным весам, и может быть использовано в научных исследованиях при измерении малых сил, действующих на различные объекты в электрических, магнитных и гравитационных полях.

Цель изобретения - повышение точности весов.

На фиг.Ч изображена кинемаг.« еская схема; на фиг.2 - электрическая блок-схема крутильных весов; на фиг.З - принцип измерения углового смещения коромысла при действии на образец горизонтальной силы , и одновременном плоском смещении коромысла, вид сверху на подвижные и неподвижные пластины емкостных датчиков.

Сущность изобретения заключается в следующем. Поскольку каждый емкостный датчик из двух параллельных конденсаторов, неподвижные пластины которых, относящиеся к одному емкостному датчику, расположены по разные стороны от вертикальной плоскости, проходящей через подвижные пластины данного датчика, закрепленные на разных плечах коромысла, то при плоском смещении всего коромысла на величину д , (фиг.З) расстояние между парой пластин одного конденсатора возрастает на д и его емкость уменьшается, в то время как расстояние между парой пластин второго конденсатора, входящего в этот же емкостный датчик, уменьшается на б , и его емкость возрастает. При равенстве исходных емкостей обоих параллельно соединены о

00

ных конденсаторов датчика, которого добиваются юстировкой расстояния между обкладками значение емкости этого датчика Сч (которое равно сумме емкостей двух конденсаторов) связано с углом поворота на малый угол а(фиг,3) и одновременным плоским смещением на расстояние - ±6 (5«di) следующим образом

Cidi (1,1

-I- oL±

С

(1

oL ,б2лгп

-3T + rf)

где С° - значение емкости первого датчика при выключенном источнике внешней силы,

di расстояние между подвижными и неподвижными пластинами конденсаторов, входящих в этот емкостной датчик, при выключенном источнике внешней силы;

а - угол закручивания коромысла;

L-длина плеча коромысла.

Поскольку для регистрации смещения используется два емкостных датчика, причем относящиеся к различным датчикам неподвижные пластины, установленные у одного и того же плеча коромысла, закреплены по разные стороны от вертикальной плоскости, проходящей через подвижные пластины одного датчика, то при повороте коромысла на угол а , в результате которого емкость первого датчика уменьшается (1), емкость Са второго датчика увеличивается, так как расстояние между его подвижными и неподвижными пластинами уменьшается на a L (фиг.З). Поэтому при повороте коромысла на угол а и одновременном плоском смещении на ± б ( д « da), значение емкости этого датчика равно

Г9 rb11 °;

/-, 202/-I,I --гГ.-J-

022™(d2-aL±d+d2--aL± 3 -2 L d C°2 + СЧ

(д -620) С°2-С°1

+

(rt dr

(3)

0

При юстировке расстояний di и da, которую производят при выключенном источнике внешней силы (т.е. при ), добиваются равенства нулю показаний блока вычитания сигналов АС, поэтому из уравнения (3) следует, что:

(4-% (4) d2 dt

Подставляя равенство (4) в уравнение (3), получаем

(f+§) + + f-f)(#-d8)(5)

При равенстве (которого достигают предварительной юстировкой датчиков после закрепления образца на коромысле и успокоения последнего в положении равновесия) выражение (5) можно записать в виде

22

AC(C°2 + C°1)a + .dod)xy

X

с°2-с

|С°2 +С°1

(6)

Таким образом, второе слагаемое в квадратных скобках, которое пропорционально флуктуационному плоскому смещению , в качестве коэффициента пропорциональности содержит малый множитель, который при д« d:

C°2 + СЧ

С°2-С°1 С°2-С

СО г 2 +С«1

Изобретение относится к устройствам для измерения малых сил, а именно к крутильным весам, и может быть использовано в научных исследованиях при измерении малых сил, действующих на различные объекты, в электрических магнитных и гравитационных полях. Крутильные весы содержа подвешенное к опоре на торсионе коромысло и устройство измерения угла ззкруч па- ния, которое выполнено в виде двух емкостных датчиков смещения, каждый из которых состоит из двух параллельно соединенных и симметрично расположенныхотно- сительно оси вращения конденсаторов, подвижные пластины которых закреплены на коромысле. Принцип действия весов основан на измерении емкости конденсаторов первого и второго датчиков. По разности их показаний судят о величине угла закручивания коромысла и о силе, воздействующей на его плечо. 3 ил.

, го ( I 2|L ,

- о 2 V(2)

d2 d2

где С а значение емкости второго датчика при выключенном источнике внешней силы;

d2 - расстояние между подвижными и неподвижными пластинами конденсаторов, входящих в этот датчик, при выключенном источнике внешней силы.

Поскольку блок вычитания сигналов вычисляет разность значений емкости двух датчиков, то результат вычитания А С связан с величинами Ci и С2 следующим образом

АС Сё Ci - С§

(f +$)V

(7)

Вторая часть неравенства выполняется за счет юстировки датчиков смещения, в

результате которой С°2 - С° устремляется к нулю.

В итоге при плоском смещении коромысла показания обоих датчиков взаимно компенсируют друг друга, что приводит к эффективному подавлению вклада плоских колебаний и значительному повышению чувствительности весов плоских к крутильным смещениям. Пренебрегая слагаемым, содержащим флуктуацион- ное смещение ±д , из (6) получаем, что

искомый угол поворота коромысла а будет равняться (при С°1 С °2)

(8)

Весы состоят из неподвижной платформы 1 с кронштейном 2, к которому с помощью торсиона 3 свободно подвешено коромысло 4, снабженное системой 5 крепления образца 6 в зоне действия внешней силы, создаваемой,-например, электромагнитом 7. На коромысле по обе стороны от его оси вращения вертикально закреплены и электрически соединены между собой четыре заземленные металлические пластины 8-11, являющиеся подвижными обкладками двух емкостных датчиков. Соответствующие неподвижные пластины 12-15 тех же датчиков закреплены на платформе 1, причем неподвижные пластины 13-15 оснащены устройствами 16-18 регулировки расстояния между неподвижными пластинами 13-15 и подвижными 9-11 соответственно. Таким образом, первый емкостной датчик смещения включает в себя два кон- денсатора, образованных пластинами 8 и 12, 10 и 14, а второй -пластинами 9 и 13, 11 и 15. Весы снабжены коммутирующим устройством с переключателями 19-22 для подключения неподвижных пластин датчиков к устройству 23 попеременного подключения указанных пластин к входу блока измерения емкости 24. Выход блока 24 подключен к входу блока вычитания 25. Его выход подключен к системе регистрации 26. Тактовый генератор 27 подключен к управляющим входам устройства 23 и блока 25. В рабочем режиме переключатели 19 и 21 замкнуты, поэтому конденсаторы, входящие в один и тот же емкостной датчик, соединены параллельно.

Весы работают следующим образом.

В исходном состоянии источник внешней силы (электромагнит) 7 выключен. После закрепления образца 6 на коромысле 4 и успокоения последнего в положении равновесия, показанном на фиг.З сплошной линией, осуществляют попеременное подключение неподвижных пластин 12-15 с помощью переключателей 19-22 и устройства 23 к блоку 24, измеряя тем самым значение емкости каждого из четырех конденсаторов, образованных перечисленными неподвижными пластинами и подвижными пластинами 8-11 соответственно. С помощью устройств регулировки 16-18 добиваются такого положения пластин 13-15, чтобы емкости всех четырех указанных конденсаторов были равны. После этого устройство попеременного подключения 23

0

0

5

5

0

5

0

5

переводят в положение, в котором оно по сигналам от тактового генератора 27 поочередно подключает то один, то другой емкостной датчик смещения к блоку 24. При этом неподвижные пластины каждого датчика электрически соединены между собой. Одновременно по сигналам от генератора 27 блок вычитания 25 вычисляет значение разностной емкости двух емкостных датчиков. В результате в конце каждого цикла переключения емкостных датчиков и блока вычитания 25 система регистрации 26 регистрирует нулевой сигнал, так как емкости датчиков смещения при выключенном источнике внешней силы равны между собой С°1 С°2 . Затем включают источник внешней силы 7, которая действует в направлении, указанном на фиг.З стрелкой, на обрезец 6 и вызывает закручивание коромысла 4 на торсионе 3 на угол «(пунктир на фиг.З - новое равновесное положение коромысла), пропорциональный внешней силе. Это закручивание приводит к такому изменению емкостей датчиков смещения, что емкость одного датчика увеличивается на величину Д С/2, а другого уменьшается на ту же величину, поэтому разность емкостей двух датчиков смещения составляет величину АС. В результате вычитания сигналов от датчиков смещения на выходе блока 25 появляется ненулевой сигнал А С (однозначно связанный с углом поворота с), регистрируемый системой регистрации 26. Поскольку величины L и являются известными константами прибора, то вызванный внешней силой угол закручивания коромысла а рассчитывают по измеренным

значениям А С и С° С°2 с помощью выражения (8). О величине действующей на образец внешней силы судят при помощи коэффициента пропорциональности между внешней силой и углом закручивания коромысла, который устанавливается путем калибровочных измерений и является константой прибора.

Формула изобретения Крутильные весы, содержащие подвешенное к опоре на торсионе коромысло и устройство измерения угла закручивания, отличающиеся тем, что, с целью повышения точности, устройство измерения угла закручивания выполнено в виде двух емкостных датчиков смещения, каждый из которых состоит из двух параллельносоединенных и симметрично расположенных относительно оси вращения коромысла конденсаторов, вертикальные подвижные пластины которых закреплены на коромысле, а вертикальные неподвижные пластины связаны с

входом блока измерения емкости, выход которого соединен с первым входом блока вычитания, выход которого соединен с входом системы регистрации, а второй

Фиг.2

вход - с первым выходом тактового генератора, второй выход которого соединен с дом устройства попеременного подключения пластин.