Устройство для измерения натяжения движущейся нити Советский патент 1992 года по МПК G01L5/10 

Изобретение относится к области измерительной техники в частности к конструкции приборов для измерения сил натяжения, и может быть использовано в текстильной промышленности

Для измерения натяжения нити можно использовать известные измерители силы с тензочувствительными преобразователями, содержащими тензорезисторы и измерители сигналов

Основным недостатком этих устройств является низкая чувствительность к малым силам и существенная погрешность измерений силы, которая составляет 1-2% и более

Кроме этого;тензочувствительные преобразователи обладают температурной и влажностной зависимостью

Известно устройство для измерения натяжения движущейся нити выбранное в качестве прототипа содержащее две бесфрикционных шкива подвижный нитеводитель, подвергаемый силовому воздействию, установленный на плоской пружине с постоянным магнитом под нитеводителем

и гальваномагнитным преобразователем перемещения нитеводителя в величину на тяжения нити

Недостатком этого устройства является недостаточная чувствительность и точность измерений, так как в нем невозможно полностью использовать высокую чувствитель ность преобразователя Холла, ибо в устройстве чувствительность определяется жесткостью пружины на которой установлен нитеводитель с постоянным магнитом Слабая пружина обеспечивает хорошую чувствительность, но из-за низкой виброустойчивости и старения пружина не обеспечивает необходимой точности измерений Жесткая пружина с высокой виброустойчи востью существенно снижает чувствительность к слабым силовым воздействиям на нитеводитель

Кроме того, на точность измерений существенно влияет зависимость преобразо вателя от температуры.

Целью изобретения является повышение чувствительности и точности измерения

О

о

Ј

:со

путем установки рефлектометрического волоконно-оптического преобразователя и выбора начальной рабочей точки.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для измерения натяжения движущейся нити, содержащем два направляющих бесфрикционных шкива и нитеводитель с преобразователем перемещения, согласно изобретению, преобразователь перемещения выполнен в виде упругой мембраны, установленной в торце корпуса, на противоположной стороне которого перпендикулярно мембране закреплен первый торец волоконно-оптического световода, второй торец которого оптически через разветвитель соединен с источником и приемником светового излучения, причем наружная часть мембраны в ее центре жестко связана с нитеводителем.

Изобретение иллюстрируется фиг. 1 и 2.

Для расширения диапазона измерения расстояние ZH от первого торца светового до внутренней плоскости мембраны выбрано из соотношения

.9R/tgy.(1)

где R - радиус составляющих световод излучающих волокон;

р- апертура световода.

Выражение (1) получено следующим образом. Известно, что торцы световодов ре- флектометрических волоконно-оптических преобразователей, как правило, выставляются на начальное рабочее расстояние Z0 or отражающей поверхности, которое показано на фиг. 2.

Для канала со случайным распределением волокон определяется из выражения

Z0 R/tg fl(2)

Для снижения погрешности преобразователя, которое зависит от линейности функции преобразования и исключения контакта торца волоконно-оптического преобразователя с отражающей поверхностью, ограничивают его перемещение следующими значениями:

0,1 Z0 ,9Z0.(3)

где AZ - максимальное перемещение торца световода от Z0,

В датчике перемещается не горец световода, а отражающая поверхность, но выражения (2) и (3) справедливы и для этого случая. Учитывая, что перемещение мембраны происходит под действием сил натяжения нити в сторону уменьшения расстояния до торца световода, можно выбрать начальную рабочую точку преобразователя не в середине, а в верхней точке его

функции преобразования, увеличив при этом в 2 раза диапазон измерений, что и видно на фиг. 2.

Поэтому начальное расстояние ZH мы

предлагаем выбирать согласно выражения (1), которое получено из выражений (2) и (3), так как при этом обеспечивается квазилинейный рабочий участок с отклонением от линейной зависимости не более, чем 0,1%.

Устройство содержит контролируемую нить 1, два бесфрикционных шкива 2 для направления нити, подвижный нитеводитель 3, мембраны корпус 5, волоконно-оптический световод 6, отверстие 7 дня

выравнивания давления, два отражателя 8 для снижения световой помехи, разветвитель 9, источник излучения 10, приемник излучения 1,1 и основание 12 для установки элементов устройства,

Бесфрикционные шкивы 2 устанавливаются на основании 12 под корпусом 5 преобразователя. Подвижный нитеводитель 3 жестко связан с мембраной 4 и выполнен в виде ролика с низким коэффициентом трения, ось которого установлена на уровне осей шкивов 2, чтобы обеспечить появление силы Р при натяжении нити 1. Расстояние ZH от торца световода до мембраны 4 установлено в соответствии с выражением (1).

Разветеитель 9 оптически соединяет источник излучения 10 и приемник излучения 11 со световодом 6. Внутренняя сторона мембраны 4 полируется для улучшения условий отражения. Корпус 5 преобразователя

имеет возможность поперечного перемещения по основанию 12 для установки оси ни- теводителя 3 относительно оси шкивов 2 и не должен пропускать световую помеху.

Устройство работает следующим образом.

Нить 1 пропускается через шкивы 2 и нитеводитель 3. Когда нет натяжения нити, ю нет силы Р,т.е. нитеводитель 3 невоздействует на мембрану 4 и поэтому расстояние от торца световода до мембраны 4 соответствует начальному, а на выходе приемника излучзчия вырабатывания сигнал,соответствующий нулевому значению натяжения

нити

При включении устройства протяжки нити 1, которое не показано на фиг. 1, движущаяся нить 1 оказывает силовое воздействие Р, пропорциональное натяжению, на

нитеводитеяь 3, вызывая деформацию мембраны А в сторону торца световода б, уменьшая расстояние ZH и модулируя отраженный световой поток, попадаемый на торец све- тоаода 6. от поверхности мембраны 4.

Большая крутизна функции преобразования обеспечивает датчику высокую чувст- вительность, а выбор начального расстояния увеличивает диапазон измерения в два раза, что хорошо видно на фиг. 2.

Глубина модуляции отраженного светового потока и амплитуда электрического сигнала с фотоприемника 11 пропорциональны натяжению нити. Для регистрации и отображения значений натяжения нити можно использовать любой измеритель электрических сигналов, отвечающий необходимым требованиям измерений.

В качестве мембраны в устройстве использована плоская мембрана из бериллие- вой бронзы, т.е. она проста по конструкции и обладает малой инерционностью, а также в результате сферической деформации повышает чувствительность датчика из-за уве- личения рассеивания отраженного светового потока. Толщина мембраны определяет диапазон измеряемых натяжений.

В качестве световода выбран волоконно-оптический световод со случайным распределением волокон с радиусом общего торца 3 мм, радиусом R излучающих волокон равным 50 мкм и апертурой /) 30°.

В соответствии с выражением (1), начальное расстояние ZH выставлено равным 165 мкм (0,165 мм).

В качестве источникаизлучения использовался инфракрасный светодиод типа АЛ 107Б, а в качестве приемника излучения фотодиод типа ФД-256.

В диапазоне измерений 0-400 сН с ни- тями из хлопкового волокна тонковолокнистых сортов с линейной плотностью 5-20 текс и хлопкового волокна с линейной плотностью 0,12-0,14 текс погрешность измерений предлагаемого датчика не превышала 0,2%, а в прототипе она составляет 2-5%. из-за большой погрешности преобразования датчика Холла (1-2%), т.е. точность измерения предлагаемого датчика более чем в 10 раз превышает точность прототипа.

Для сравнения чувствительности прототипа и настоящего устройства сравним крутизну функции преобразования используемых в них преобразователей, так как крутизна преобразования наиболее наглядно характеризует чувствительность преобразователя. Чувствительность преобразователей Холла при измерении постоянных магнитных полей в зависимости от конструкции колеблется от 1 до 2,5 В на 1 Тл, т.е. крутизна функции преобразования на линейном участке составляет 45-68°, крутизна преобразования предлагаемого датчика превышает 80° (фиг. 2).

Кроме этого, надо учесть, что чувствительность прототипа снижается инерционностью пружины с закрепленным на ней магнитом, поэтому при малой инерционности плоской мембраны чувствительность данного устройства дополнительно несколько увеличивается и будет в 1,5-2 раза выше, чем у прототипа.

Формула изобретения

1.Устройство для измерения натяжения движущейся нити, содержащее два направляющих бесфрикционных шкива и нитево- дитель с преобразователем перемещения отличающееся тем, что. с целью повышения чувствительности и точности измерения, преобразователь перемещения выполнен в виде упругой мембраны, установленной в торце корпуса, на противо положной стороне которого перпендикулярно мембране закреплен первый торец волоконно-оптического световода, второй торец которого оптически через разветви- тель соединен с источником и приемником светового излучения, причем наружная часть мембраны в ее центре жестко связана с нитеводителем.

2.Устройство по п. 1,отличающее- с я тем, что, с целью расширения диапазона измерения, расстояние ZH от первого торца световода до внутренней плоскости мембраны выбрано из соотношения

ZH 1,9R/tgtf.

где R - радиус торца составляющих световод излучающих волокон;

tp- апертура световода.

//

Сущность изобретения устройства содержит два направляющих бесфрикционных шкива 2 и нитеводитель 3 с преобразователем перемещения, который выполнен в виде упругой мембраны 4, установленной в корпусе 5, взаимодействующей с первым торцом волоконно-оптического световода 6, второй торец которого оптически через раз- ветвитель 9 соединен с источником 10 и приемником 11 светового излучения Расстояние z от торца световода 6 до мембраны 4 выбрано равным 1 9 R/tg, где R - радиус составляющих световод волокон - апертура световода 1 з п ф-лы 2 ип