Силоизмерительное устройство Советский патент 1983 года по МПК G01L1/12 

(5) СИЛОИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в системах автоматического измерения ма сы, в том числе на промышленных тран портных системах (конвейеры, весоизмерительные платформы для автомобиль ного и узкоколейного рельсового-тран спорта), различных дозаторах и т.п. .Известны магнитоупругие датчики, которые позволяют обеспечить линейность выходной характеристики путем использования двух нелинейных преобразователей и суммирования их выходных сигналов таким образом, чтобы два сигнала, квадратичные составляющие которых равны, имели противоположные знаки D 3При этом используются основной и вспомогательный преобразователи магн тоупругие дррссел.1«ного или трансформаторного типа, установленные друг на друга и нагружаемые одним и тем же измеряемым усилием одновременно. Преобразователи изготовлены из различных материалов или имеют. существенно различные соотношения конструктивных размеров, благодаря чему их выходные характеристики различаются чувствительностью и нелинейностью. Числа витков обмоток основного и вспомогательного преобразователей выбраны таким образом, чтобы нелинейности характеристик по абсолютным приращениям на единицу уси-. ЛИЯ были равны. Затем эти сигналы взаимно вычитаются, если знаки нелинейности характеристик одинаковы, или складываются, если они различны. В результате достигается, существенное повышение линейности выходной характеристики силоизмерительного устройства при условии достаточно близких значений абсолютной нелинейности. Выполнение этого условия представляет тем большие сложности, чем более высокая линейность характеристики должна быть достигHi ra. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство, содержащее корпус и магнитоупругий преобразователь, выполненный в виде двух коаксиально расположенных полых цилиндров. Внеш.ний поджат торцом, ближайшим со стороны действия усилия, к кольцевому выступу корпуса посредствомупру того элемента (кольца),расположенного со стороны другого торца цилиндра, дальнего со стороны действия усилия, и снабжен внутренним выступом (кольцевым) у этого же торца по периметру сечения цилиндра, расположенным в плоскости, перпендикулярной направлению усилия. Внутренний цилиндр упирается в кольцевой выступ внешнего цилиндра одним торцо а на другой свободно опирается съем наякрышка корпуса, являющаяся силовосприниМающим элементом 23Магнитоупругий преобразователь снабжен сквозными отверстиями в каждом из цилиндров, в которых, расположе ны обмотки, выходы кotopыx связаны с измерительной схемой. Известное устройство для измерени усилий не обеспечивает достаточной точности измерения вследствие того, что при этой конструкции невозможно обеспечить .высокую степень линеариза ции выходной характеристики, а также из-за высокого уровня выходного сигнала при отсутствии измеряемого усилия, что приводит к высокому уров ню аддитивной составляющей температурной погрешности (днейфу нуля). .. Цель изобретения - повышение точности измерения усилий за счет уменьшения .погрешности нелинейности и аддитивной.составляющей температурной погрешности. Поставленная, цель достигается тем, что в силоизмерительном устройстве на торце; цилиндра со стороны действия усилия над частью стержней выполнено четное количество выступов контактирующих с крышкой, а на каждом втором выступе выполнена цилиндрическая проточка, образующая ступеньку, контактирующую с силовоспринимающим элементом, причем обмотки всех стержней без выступов соединены с источником питания , обмотки стержней с выступами и ступеньками соединены последовательно в одну группу, обмотки стержней с выступамп и без ступенек - последовательно в другую группу, а обе группы обмоток между собой - включены встречно. Выполнение преобразователя в виде полого цилиндра с равномерно расположенными по окружности стержнями и продольными окнами одинаковой ширины для обмоток позволяет соз-. дать ряд соверше.нно) идентичных магнитных контуров, причем их идентичность обеспечивается не только идентичностью всех линейных размеров но идентичностью химического состава и термообработки, поскольку все элементы этих контуров выполнены в одной детали. Выполнение выступов над каждым вторым стержнем на торце цилиндра, ближайшем со стороны действия усилия, позволяет при осуществлении предварительного сжатия преобразователя прилагать усилие предварительного нагружения лишь к стержням , над которыми расположены выступы. Выполнение на выступах цилиндрической проточки , соосной с преобразователем и образующей ступеньку на выступе каждого четвертого стержня ,.позволяет нагружать эти стержни, помимо усилия предварительного нагружения, .еще и измеряемым усилием. Для этого используется силовоспринимающий элемент, выполненный в виде диска, диаметр которого соответствует диаметру проточки, а . высота меньше высрты проточки, с центральной с-иловоспринимающей бобышкой. .Выполнение силовоспринимающего элемента в виде диска диаметром, соответствующим диаметру проточки, обеспечивает его надежный контакт со ступеньками выступов на каждом четвертом стержне, а высота диска, меньшая высоты проточки, исключает возможность .приложения к диску усилия предварительного нагружения, поскольку более высокие выступы упираются в крышку корпуса раньше, чем с ней войдет в контакт диск. Наличие центральной силовоспринимающей бобышки на диске обеспечивает возможность приложения измеряемого усилия к одной точке (бобышке) и передачи его на ступеньки, имеющиеся на выступах над каждым четвертым стержнем, с которыми контактирует диск. Завинчивание крышки, соединенной с корпусом резьбой, обеспечивает нагоужение каждого второго стержня усилием предварительного нагруженияi п скольку выступы упираются в крышку. Равномерное распределение усилия предварительного нагружения между стержнями с выступами обеспечивает упругий элемент, прижатый к торцу преобразователя ,дальнему со сторон действия усилия, днищем корпуса. Стержни, над которыми нет выступов-, остаются ненагруженными. На этих стержняхрасположены обмотки, сое/диченныё с источником питания и соз дающие намагничивающий поток. Поскольку при отсутствии измеряемого усилия соседние стержни (с выступо и ступенькой с одной стороны и с вь1 тупом без ступеньки с другой) оказ ваются нагруженными равными усилиям предварительного нагружения, их маг нитные сопротивления оказываются увеличенными на одну и ту же величи ну, равными оказываются и ответвляющиеся в них магнитные потоки. Обмо ки стержней с выступами и ступенька ми соединены последовательно в одну группу, стержней с БЫступами и без ступенек - последовательно в другую, группу, а группы между собой вк чены встречно. В результате напряжения, наводимые в обмотках обеих групп, при отсутствии измеряемого усилия оказываются равными и полностью друг друга„компенсируютсигнал на выходе равен нулю. Приложение измеряемого усилия к центральной бобышке диска силовоспринимающего элемента приводит к тому, что усилие, сжимающее стержни - с выступами и ступеньками, увеличивается, а усилие сжатия стержней с, выступами и без ступенек уменьшаёУ ся на ту же величину. Пока измеряемое усилие Р не превышает усилия предварительного нагружения Р, пре образователь остается прижатым к крышке и неподвижным. Измеряемое усилие, приложенное к стержням со .ступеньками, как бы стремится отор:вать преобразователь от крышки, разгружая от усилия предварительного нагружения каждый из стержней с выступами и без ступенек. При этом соответствующая часть усилия добавляется к нагрузке стержней с выступами и ступеньками, так как об щее усилие предварительного нагружения 13 остается неизменным - упру гий элемент неподвижен, его деформа ция не изменяется. 74 Под воздействием измеряемого усилия магнитное сопротивление нагружаемых стержней {с выступами и ступеньками) растет, напряжение на их обмотках уменьшается, а магнитное сопротивление разгружаемых стержней (с выступами и без ступенек) уменьшается, напряжение на их обмотках увеличивается. На выходных зажимах включенных встречно групп обмоток появляется сигнал, пропорциональный приложенному измеряемому усилию Р . Равенство нулю выходного сигнала при отсутствии измеряемого усилия (Р 0) обеспечивает практически полное исключение аддитивной составляющей температурной погрешности. Идентичность магнитных контуроЁ обеспечивает идентичность зависимости выходного напряжения на каждой из вторичных о.бмоток (подразумевается равенство числа витков) от измеряемого усилия, что является непременным условием обеспечения высокой линейности суммарной выходной характеристики . На фиг. 1-3 показана конструкция устройства в конкретном варианте, когда число стержней преобразователя равно 8, а выступы расположёны над каждым вторым стержнем, выступы со ступенькой - над каждым четвертым, где на фиг. 1 показан общий вид, на фиг. 2- аксонометрическое изображение преобразователя, на фиг. 3 - аксонометрическое изображение силовоспринимающего элемента. На фиг. 4-6 показана конструкция устройства в конкретном варианте, когда число стержней преобразователя равно 6, стержни без выступов, с выступами без ступеньки и с выступами со ступенькой расположены через каждые два стержня. На фиг. 7 показано схематическое изображение развертки преобразователя при 12 стержнях с выступом над каждым вторым стержнем и ступенькой на выступе над каждым четвертым стержнем; на фиг. 8 - при 12 стержнях, когда стержни без выступов, с вые- . тупами без ступеньки и выступами со ступенькой расположены через каждые два стержня; на фиг. 9 схема включения обмоток преобразователя. Устройство представляет собой магнитоупругий преобразователь V, изготовленный в виде полого цилиндpa с равномерно расположенными по окружности стержнями 2 и продольными окнами 3 одинаковой ширины, в которых разме.щены обмотки 4. На торце цилиндра, прилегающем к крыш ке 5 корпуса 6, ближайшем-со сторо ны действия усилия, над каждым вто рым стержнем выполнены выступы 7 упирающиеся в шайбу 8 из немагШитного материала, закрепленную на. крышке.Нижний торец преобразовател 1 (дальнего, со стороны действия усилия) опирается на кольцо 9 из немагнитного материала, имеющее по вышенную жесткость. Между кольцом и днищем 10 корпу са расположен упругий элемент 11 (тарельчатая пружина) . В верхней части преобразователя 1, на выступах 7, начиная от их торцевой поверхности, выполнена цилиндрическая проточка, соосная с общей осью преобразователя. Ее диаметр приблизительно равен среднему между внешним и внутренним диаметрами преобразователя (на половину стенки цилиндра). На выступах каждого четвертого стержня проточка выполненаI на части высоты выступа, например, М/5 - 9/10 общей высоты, начиная от торца, и образуетступеньку 12, а на остальных выступах пррточка выполнена на всей высоте их. Силовоспринимающий элемент 13 выполнен в виде диска Yk с ц1нтральной бобышкс й 15,. к которой прилагается измеряемое усилие, и штоком 16, достигающим днища корпу са. Диск опирается на ступеньки, р положенные над каждым четвертым стержнем. С целью исключения больших погрешностей, которые могут возникнут когда измеряемое усилие прикладыва ется под некоторым небольшим (до 6° углом, бобышка 15 и конец штока 16 закреплены посредством мембран 17 и 18, соответственно в крышке 5 и днище 10 корпуса 6, чем исключается возможность перемещений бобышки и штока в плоскостях, перпенди.кулярных направлению усилия, перекос штока и неравномерность нагрузки на различные стержни преобразова теля. Между концом штока и днищем корпу са имеется зазор 19 величиной 0,5;1 мм. При превышении измеряемым уси .лием допустимого значения упругий 78 элемент деформируется, шток перемещается и упирается в днище, принимая на себя все избыточное усилие и за щищая преобразователь от перегрузки. 60МОТКИ , расположенные на стержнях, над которыми нет выступов, соединены с источником питания и являются намагничивающими. Наводимый ими магнитный поток замыкается через тержни с выступами. Обмотки, размещенные на стержнях с выступами и без ступеньки,соединены последрватель н6 в одну группу, а обмотки стержней, над которыми расположены выступы со ступенькой, соединены последовательно в другую группу. Группы между собой включены встречно, а к свободным концам подключен электроизмерительный прибор. Устройство работает следующим образом. Путем завинчивания крышки 5 создается усилие предварительного нагружения Р. Его величина соответствует, например, половине, максимальной рабочей нагрузки, прилагаемой к стержням с выступами 7 путем нажатия на них крышки 5. Приложение к бобышке 15 измеряемого усилия Р ведеТК его передаче через диск 1 на ступеньки 12 каждого четвертого стержня. Таким образом, измеряемое усилие Р должно быть, примерно, в два раза меньше усилия предварительного нагружения Р. . При измеряемом, усилии магнитные сопротивления всех стержней с выступами, нагруженных равными усилиями предварительного нагружения, равны. Равны магнитные потоки, наводимые обмотками, размещенными на стержнях без выступов, равны напряжения, наводимые в обмотках стержней с выступами и ступеньками , а также с выступами без ступенек. Разность этих напряжений равна 0. При Р О магнитные сопротивления стержней, «.меющих выступы со ступеньками (нагружаемых), растут, а стержней с выступами без ступенек (разгружаемых) уменьшаются. Потоки наводят ЭДС в обмотках, размещенных на соответствующих стержнях. Встречное включение обмоток нагружаемых и разгружаемых стержней обеспечивает взаимное вычитание наводимых напряжений и получение сигнала. Абсолютная величинавыходного напряжения .преобразователя в известных предеяах определяется коэффициентом трансформации-, т.е. отношением числа витков обмоток на стержнях с выступами к числу витков намагничивающих обмоток, размещенных на стержнях без выступов.

Предлагаемое силоизмерительное устройство позволяет по сравнению с известными- устройствами аналогичного назначения повысить точность автоматического контроля массы изделий, автоматического учета грузов, транспортируемых монорельсовыми транспортными системами, ленточными конвейерными и т.п.

Формула изобретения

Силоизмерител.ьное устройство, содержащее корпус с установленной на резьбе крышкой, к которой упругим элементом подпружинен магнитопровод, выполненный в виде полого цилиндра с окнами для обмоток, образую1цими стержни, и силовоспринимающий эле.мент, отличающееся тем.

что, с целью повышения точности за счет уменьшения погрешности нели-гнейности и аддитивной составляющей температурной погрешности, на торце цилиндра со стороны действия усилия над частью стержней выполнено четное количество выступов, контактирующих с крьпикой, а на каждом втором выступе выполнена цилиндрическая проточка, образующая ступеньку, контактирующую с силовоспринимающим элементом, причем обмотки всех стержней без выступов соединены с источником, питания , обмотки стержней с выступами и ступеньками соединены последовательно в одну группу, обмотки стержней с выступами и без :ступенек - последовательно в другую группу, а сгбе группы обмоток между собой включены встречно.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

ff 220585, кл. G 01 L 1/12, 1966 (прототип).

/Z

fZ

.1

;5

Фиг.З

Фиг.