Устройство для измерения усилий Советский патент 1979 года по МПК G01L1/12 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УСИЛИЙ

.I Изобретение относится к силоизмери- , тельной технике и может быть йспопьзовано для измерения усилий между oiw дельными частями механизмов. Известное устройство для измерения усилий, содержащее магнитоущзугий пре образователь, ис,точник питаний преобра(Зователя и измерительную схему, обладает малой точностью измерения, что обусловлено зависимостью чувствитель;ности магнитоупругого преобразовйтепя и измерительной схемы от изменения температуре сжружаютцей среды и от величины приложенной к датчику силы L Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устрой ство для измерения , содержащее магнитоупругий преобразрватель с подключенной к его выходу измерительной схемой, масштабное звено, подключенное свонм входом к выходу измерительной схемы, и блок питания магнитоупругого преобразователя 2 . К недостаткам известного устройства относится низкая точность измерения усилий. . Цель изобретения заключается в повышении точности измерения. Это достигается за счет того, что в предлагаемое устройство введены компенсационный магнитоупругий преобразователь, соединенный с блоком питания, и дополнительная измерительная схема,: подключенная своим входом к выходу компенсационного преобразователя, а масштабное звено и дополнительная измерительная схема соединены с блоком питания. На чертеже представлена схема описываемого устройства, содержащего магнитоупругий преобразователь 1, измерительную схему 2, масштабное звено 3, блок питания 4 магнитоупругого прен. образователя, компенсационный магнитоупругий преобразователь 5 и дополнительную ивмерительную .схему 6. Блок питания 4 состоит из последова тельно включенных усилителя рассогласования 7 и инвертора 8, преднаоначенного для преобразования постоянного вы хоцного напряжения усилителя 7 в пере. менное напряжение питания магнитоупр гих преобразователей 1 и 5. Измерительные схемы 2 и 6 преанаэ начены для преобразования выходного переменного напряжения магнитоупругих преобразователей 1 и5в постоянное на- пряжение, подаваемое в канал параметрической обратной связи. В состав измерительной схемы 2 входит устройство отсчета измеряемой силы, например стрелошьгй показьгеающий прибор 9. Масштабное звено 3 вьтолнено в виде ризистивного делителя с регулируемым коэффициентом передачи, величина которого устанавливается из условия обеспечения минимальной погрешности нелинейности выходного сигнала устройства . К магнитоупругому преобразователю 1 приложена измеряемая сила Q , к компенсационному магнитоупругому преобразователю 5 - постоянная сила Q, например вес гири. На входе усилителя рассогласования 7 действует сигнал рассогласований Д (J между алгебраической суммой опорного напряжения Uo с выходным Напряжением масштабного зве на 3 и А и выходным напряжением UK дополнительной измерительной схемы 6, подключенной к выходу компенсационног преобразователя 5.v Из функциональной схемы следует: AU(U.U,V4СО. . Усилитель рассогласования 7 усиливает величину Д.(3„ Kg, 1раз, где К - коэффициент усиления усилителя 7, и через инвертор 8 управляет напряжением питания обоих магнитоупругих пре образователей 1 и 5. Это приводит к изменению выходного напряжения изме. рительных схем 2 и 6. Знак коэффициента усиления усилителя 7 выбран таким, чтобы величина рассогласования ди на его входе стремилась к нулю. . Тогда алгебраическая сумма выходных напряжений масштабного звена 3 и до- полнительн.ой измерительной схемы б U стабилизируется, т.е. поддерживается н постоянном уровне Up , что следует из уравнения (I), в котором Д U О, т 1. 6 4 висимость выходного напряжения ительной схемы 2, подаваемого на ывающий прибор 9, можно найти ражения (I) и следуюш их соотной:S,.K,Q , .-KjS.q , „.и,,и -выходные напряжения соответственно инвертора 8, измерительной схемы б, масштабного звена 3, измерительной схемы 2j - коэффициенты передачи соответственно усилителя 7, инвертора 8, масштабного .звена 3, измерительной схемы 2; - чувствительности магнитоупругих преобразователей 5 и 1 соответсрвенно; . - усилия, приложенные к магнитоунругим преобразователям I и 5 соответс-р- , венно. увствительность магнитоупругого бразователя зависит от величины ющего его напряжения, приложенной му силы (что определяет нелинейь его статистической характеристиреобразования) и температуры окрущей среды. Эта зависимость может ь аппроксимирована следующей дроб- адиональной функцией силы Q , оженной к преобразователю ,(7) ... Ц а (Т) - доэффициент, характеризук щий начальную чувствительность преофазователя, зависит от его конструкции и температуры окружаквдей среды Ъ - коэффициент, характеризу1ощий нелинейность статической характеристики магнитоупругого преобразователя, определяется его конструтсцией.

При статическая харктеристика магнитоупругого преобразователя линейна. При - вьтукла вверх, -выпукла вниз.

В силу идентичности используемых магнитоупругих преобразователей в канале компенсации и измерения можно считать, 4ToCf(T) и Ь у обоих маг нитоупругих преофазсеателей I и 5 равны.

Тогда для компенсаш1о«ного магнитоупругого преобразователя чувствитель- ность равна: . - для магнитоупругого преобразователя .ОСТ) и. и, соответственно, нагряжения будут иметь следующий вид: .()HQo K,c«(T)U Q ЬО/,ч / Решая совместно уравнения (1), ( (5), (1О) относительно выходного на пряжения инвертора 8, получим ) )K.. С1 При достаточно большом коэффицие те усиления KQ усилителя 7 и при ус лии Q JJ , приложенном к компенсацион ному преофазоватеЛю 5, не равном ну лю, велнчина: ( и, следовательно, напряжение питания магнитоупругих преобразователей I и равно: (VMHXi- Qo , , .(14) и cicT), Подставив полученное значение UH i вьфажение (II) для выходного напр жения устройства и а и решив его относительно Uj , учитывая при этом, что при одинаксвом конструктивном выполнении измерительных схем 6 и 1, их коэффициенты передачи Kj, и К, равны, получим следующее выражение для выходного напряжения устройства Од

(iS)

Ua

в

где

to

С И - Ъ ©„

Из последнего вьфажения видно, что если коэффициент передачи масштабного звена К м выбрать из условия

ЪЦ.

(16)

выражение в скобках уравнетгая (15) станет равным нулю, а зависимость выходного напряжения и в от измер$вмой силы Q примет вид Из уравнения (17) видно, что показания прибора 9 измерительной cxBNa i 2 не зависят от конструкции магнитоупругих преобразователей 1 и 5, температуры оуружаюшей среды Т и линейно связаны с величиной измеряемой силы О, , приложенной к магнитоупругому Преобразователю 1, Стабильность показаний .определяется стабильностью опорного напряжения UQ блока питания 4, которую легко обеспечить с заданной точностью, и силы QQ , приложенной к компенсационному преобразователю 5, постоянство которой технически легко обеспечивается пу.тем нагружения компенсационного магнитоупругого преобразователя, например, весом гири. Нестабильность коэффициента с зависит от нестабильности коэффициента Ъ , определяющего нелинейность статической характеристики магнитоупру- гого преобразователя. При погрешности нелинейности, не превышающей нескол1:гких процентов, что характерно для маг- нитоупругих преобразсжателей, величина и влияние ее изменения от температуры, если оно существует, на коэффициент С мало, т.е. можно считать что 1-|-Ъйо const. В процессе нагружения магнитоупругого преобразователя I измеряемой силой возрастает напряжение на выходе измерительной схемы 2. В силу нелинейности статическсй ;карактеристики магнитсупругого преобразователя I, с ростом приложегшой к нему сильт, чув- стаительность его возрастает (или. умен шается), что приводит к появлению по« грешности нелинейности измерения. Однако часть выходного напряжения изме™ рительной схемы, снимаетсяс выхода масштабного звена 3, в виде напряже™ кия линеаризации U подается в блок питания 4, где вычитается (или складывается). с опорным напряжением UQ . В результате с увеличением измеряемой сипы на входе усилителя 7 появляется сигнал рассогласования. Этот сигнал усиливается и подается на инвертор 8. Напряжение питания компенсационног преобразователя 5 и, сбответСтвенно, магнитоупругого преобразователя I уме шаются (или увеличиваются) до тех пор, ..пока рассогласование не уменьшится до прежнего значения с точностыр д малой ошибки, определяемой величш-юй коэффициента усиления усилителя 7,. Уменьшение (увеличение) напряжешя пи тания преобразователя 1 приводит к -, уменьшению (увеличению) его чувстви тёльности и, соответственно, динеари-, зации статической характеристики устро ства. 3сли в процессе намерения йзмейяется температура окружакщей среды и чувствительность магшггоупругого пре образователя 1, нагфимер, увеличивается, то одновременно увеличиваеася и чувствительность кбмпенсащионного магни тоупругого преобразователя 5. Напряжени на выходе донолнительной измерительной схемы 6 при этом возрастает, что приводи к появлению сигнала рассогласоЪания (ш« входе усилителя 7j усиленный сигнал рассогласования начнет уменьшать напряжение питания компенсационного магнитоупругого преобразователя 5 до тех пор, пока не восстановится равенство напряжений на входах усилителя 7. При этом одновременно уменьшается напряжение магнитоупругого преобразователя 1, что приводит к компенсации погрешности, обусловленной увеличением его . чувствительности, вызванным изменением температуры окружающей среды. Формула изобретения Устройство для измерения усилий, содержащее магеитоупругий преобразователь с подключенной к его выходу иэмер гтельЕой схемой, масштабное звено, подключенное своим входом к выходу измepитe JЬнoй схемы, и блок питания мапштоупругдго преобразователя, о т л II ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены компенсационный магнитоупругий преобразователь, соединенный с блоком питания, и дополнительная измеритель- ная схема, подключенная своим входом к выходу компенсационного преобразователя, а масштабное звено и дополнительная измерительная схема соединены с блоком питания. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Гинзбург В. В. Магнитоупругие датчики. М., Энергия, 1970, с. 13. 2. Авторское свидетельство СССР №457901, кл. 6 OIL. 1/12,1973 (прототип).