3.2. Взвешивающий панельный элемент:
Патент RU № 2252401, МПК G01L1/12:
Изобретение относится к измерительным устройствам и может быть использовано в весо- и силоизмерительных системах для взвешивания различных объектов, усилий в механизмах и т.д. Способ осуществляется следующим образом. Измеряемую силу прикладывают к магнитоупругому элементу, выполненному из магнитострикционного материала, перпендикулярно его оси по всей длине. На магнитоупругий элемент подают переменный ток или напряжение на частоте проявления поверхностного эффекта. Силу нагружения определяют путем измерения изменения поверхностного сопротивления магнитоупругого элемента. Устройство для измерения силы содержит выполненный в виде пластины корпус, на котором закреплен магнитоупругий элемент, выполненный из магнитострикционного материала в виде электрического проводника, уложенного спиралью и подключенного к источнику переменного тока, а также элемент приложения силы. Последний выполнен в виде пластины из электроизоляционного материала, расположенной параллельно пластине корпуса и контактирующей по всей длине с магнитоупругим элементом, подключенным к источнику переменного тока или напряжения, обеспечивающего проявление поверхностного эффекта. Технический результат заключается в расширении области применения способа и устройства, повышении чуствительности. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к области измерительной техники, а точнее к способам и устройствам для измерения силы (усилий), и может быть использовано в весо- и силоизмерительных системах для взвешивания транспорта, для определения технологических усилий металлургического оборудования и т.д.
Известен способ измерения силы, включающий нагружение упругого элемента вдоль оси и измерение деформации элемента (см. Измерения в промышленности. Справочник в 3-х кн. Кн.2. Способы измерения и аппаратура. Пер. с нем. Под редакцией Д.И.Агейкина, М., Металлургия, 1990, с.104-106).
Для измерения деформации используют электрический метод определения относительной деформации. Приложенная сила преобразуется в упругом элементе в механические напряжения, которым соответствует определенная относительная деформация.
Устройство для осуществления этого способа содержит упругий элемент в виде стержня или трубчатого элемента, нагруженного вдоль оси, и тензорезисторы, наклеенные на стержень или на наружную и внутреннюю поверхности трубчатого элемента и соединенные в электрическую цепь.
Выходное напряжение электрической цепи пропорционально относительной деформации, а последняя в соответствии с законом Гука пропорциональна нагрузке стержня, т.е. измеряемой силе.
В тензорезисторах, благодаря тензорезистивному эффекту, относительная деформация преобразуется в изменение R сопротивления R тензорезистора.
Определяется сила путем измерения величины R, пропорциональной приложенной силе.
Недостатками известного способа и устройства для измерения силы являются:
- сложность реализации (осуществления) из-за большой трудоемкости изготовления упругих элементов и тензорезисторов, а также из-за сложности крепления тензорезисторов к упругому элементу;
- низкая чувствительность, обусловленная сущностью тензорезистивного эффекта.
Из известных способов измерения силы наиболее близким по технической сущности является способ, включающий приложение силы нагружения к магнитоупругому элементу из магнитострикционного материала, возбуждение его от источника переменного тока и измерение напряжения (пат. РФ №2051344, G 01 L 1/12, заявл. 24.07.92, опубл. 27.12.95).
В магнитоупругом элементе под действием силы нагружения изменяется относительная магнитная проницаемость магнитострикционного материала (магнитоупругий эффект), под действием переменного тока возбуждения образуется переменная циркулярная намагниченность, которая вызывает ЭДС самоиндукции на концах магнитоупругого элемента, что позволяет представить магнитоупругий элемент в виде комплексного электрического сопротивления, включающего активную и реактивную (индуктивную) составляющие.
Устройство для осуществления способа содержит закрепленный на корпусе магнитоупругий элемент из магнитострикционного материала, выполненный в виде спирали, концы которой подключены к источнику переменного тока, и элемент нагружения.
Корпус выполнен в виде неподвижной пластины, а элемент приложения силы - в виде электропроводящего кольца, являющегося частью магнитоупругого элемента. Это позволяет нагружать магнитоупругий элемент моментом кручения.
Недостатки известного способа и устройства для измерения силы заключаются в низкой чувствительности, так как активная составляющая комплексного сопротивления от приложенной силы не зависит, а доля индуктивной составляющей незначительна (именно этим обусловлено изменение ЭДС самоиндукции), и в ограниченной области применения, так как приложенная сила должна вызывать в магнитоупругом чувствительном элементе деформацию кручения, что не всегда возможно.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа и устройства для измерения силы, позволяющих упростить реализацию способа и устройства, расширить область их применения и повысить чувствительность.
Поставленная задача достигается тем, что в способе измерения силы, включающем приложение силы нагружения к магнитоупругому элементу, выполненному из магнитострикционного материала, возбуждение его от источника переменного тока, измерение изменения напряжения элемента, согласно изобретению, силу нагружения к магнитоупругому элементу прикладывают перпендикулярно его оси, переменный ток или напряжение подают на магнитоупругий элемент на частоте проявления поверхностного эффекта и измеряют изменение напряжения или тока соответственно, или измеряют изменение "поверхностного" сопротивления магнитоупругого элемента.
Кроме того, силу нагружения к магнитоупругому элементу прикладывают по всей его длине.
Поставленная задача достигается также тем, что в устройстве для измерения силы, содержащем выполненный в виде пластины корпус, на котором закреплен магнитоупругий элемент, выполненный из магнитострикционного материала в виде электрического проводника, уложенного спирально и подключенного к источнику переменного тока, и элемент приложения силы, согласно изобретению, элемент приложения силы выполнен в виде пластины из электроизоляционного материала, расположенной параллельно пластине корпуса и контактирующей по всей длине с магнитоупругим элементом, подключенным к источнику переменного тока или напряжения, обеспечивающему проявление в нем поверхностного эффекта.
Такое выполнение способа и устройства для измерения силы позволит расширить область применения, упростить их реализацию и повысить чувствительность. Это достигается благодаря взаимодействию двух эффектов - магнитоупругого и поверхностного, приложенных к магнитоупругому элементу, что позволило измеряемую силу нагружения определять путем измерения изменения или напряжения, или силы тока, или "поверхностного" сопротивления.
Это объясняется тем, что, с одной стороны, сила, приложенная к магнитоупругому элементу, преобразуется в механические напряжения во всем объеме материала магнитоупругого элемента, в том числе и в поверхностном слое и благодаря действию магнитоупругого эффекта, соответственно механическим напряжениям изменяется относительная магнитная проницаемость материала на величину .
С другой стороны, электрическое сопротивление Z магнитоупругого элемента на высоких частотах, обуславливающих поверхностный эффект, становится зависимым от относительной магнитной проницаемости материала магнитоупругого элемента, причем от параметра одинаково зависят как активная, так и индуктивная составляющие сопротивления Z (см. Теоретические основы электротехники, том 2, “Нелинейные цепи и основы теории электромагнитного поля”. /Под ред. проф. П.А.Ионкина, Москва, “Высшая школа”, 1976 г., стр.291-296)
т.е. благодаря взаимодействию двух эффектов - магнитоупругого и поверхностного, приложенную к магнитоупругому элементу силу можно определить измерением изменения Z "поверхностного" сопротивления Z магнитоупругого элемента.
Выполнение требования перпендикулярности силы к оси магнитоупругого элемента обеспечивает проявление магнитоупругого эффекта: линии действия механических сил должны преимущественно совпадать с магнитными силовыми линиями. При пропускании электрического тока через магнитоупругий элемент магнитное поле имеет вихревой характер и циркулирует внутри магнитоупругого элемента вокруг его оси и этим обеспечивает условие проявления магнитоупругого эффекта.
Если магнитоупругий элемент растягивать (сила направлена вдоль оси), то магнитоупругий эффект не проявится и изменения "поверхностного" сопротивления Z не будет.
Выполнение требования нагружения магнитоупругого элемента по всей длине важно с практической точки зрения - это повысит нагрузочную способность магнитоупругого элемента.
Для пояснения изобретения ниже приводится конкретный пример выполнения изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг.1 изображено устройство для измерения силы;
на фиг.2, 3 - схемы укладки магнитоупругого элемента;
на фиг.4 - результаты экспериментальной проверки способа измерения силы.
Устройство для измерения силы содержит корпус, выполненный в виде пластины 1, элемент приложения силы, выполненный в виде пластины 2, расположенной параллельно пластине 1 корпуса, и расположенный между ними магнитоупругий элемент 3, выполненный из магнитострикционного материала в виде электрического проводника, уложенного спиралью и подключенного к источнику переменного тока или напряжения на частоте проявления поверхностного эффекта.
Пластины 1, 2 выполнены из электроизоляционного материала с прочностными характеристиками, обеспечивающими заданный диапазон измеряемых усилий.
Измеряемую силу нагружения F прикладывают к магнитоупругому элементу 3 перпендикулярно его оси через верхнюю пластину 2 для равномерного нагружения его по всей длине. На магнитоупругий элемент 3 подают переменный ток или напряжение на частоте проявления поверхностного эффекта. При пропускании электрического тока через магнитоупругий элемент магнитное поле имеет вихревой характер и циркулирует внутри элемента вокруг оси и этим обеспечивает условие проявления магнитоупругого эффекта.
С одной стороны, сила, приложенная к магнитоупругому элементу, преобразуется в механические напряжения во всем объеме материала магнитоупругого элемента, в том числе и в поверхностном слое и благодаря действию магнитоупругого эффекта, соответственно механическим напряжениям изменяется относительная магнитная проницаемость материала на величину .
С другой стороны, электрическое сопротивление Z магнитоупругого элемента на высоких частотах, обуславливающих поверхностный эффект, становится зависимым от относительной магнитной проницаемости материала магнитоупругого элемента, причем от параметра одинаково зависят как активная, так и индуктивная составляющие сопротивления Z
т.е. благодаря взаимодействию двух эффектов - магнитоупругого и поверхностного, приложенную к магнитоупругому элементу силу можно определить измерением изменения Z "поверхностного" сопротивления Z магнитоупругого элемента.
Практически измеряемую силу нагружения F можно определить путем измерения изменения U напряжения, или изменения силы тока J, которое при неизменной величине тока или напряжения обусловлено изменением "поверхностного" сопротивления Z магнитоупругого элемента.
Пример: Устройство для измерения силы выполнено из двух пластин размером 140×140 мм из электроизоляционного материала и расположенного между ними магнитоупругого элемента в виде электрического проводника (см. фиг.2). Общая толщина пластин и элемента равна 4 мм. Через проводник пропускают переменный ток высокой частоты, создающий на его концах электрическое напряжение U=1,00 В.
При нагружении магнитоупругого элемента усилием в пределах 0...30 т с помощью гидропресса электрическое напряжение U изменяется пропорционально силе на величину U=0...95 MB (изменение U при неизменной амплитуде тока обусловлено изменением "поверхностного" сопротивления Z магнитоупругого элемента).
Полученную градуировочную характеристику можно использовать для определения усилия.
Возможно определение усилия посредством измерения изменения силы тока или посредством измерения изменения "поверхностного" сопротивления магнитоупругого элемента.
Предложенные способ и устройство для измерения силы по сравнению с известными позволит:
- упростить реализацию способа за счет снижения трудоемкости изготовления устройства для измерения силы;
- повысить чувствительность способа за счет взаимодействия магнитоупругого и поверхностного эффектов;
- расширить область применения способа и устройства.
Формула изобретения
1. Способ измерения силы, включающий приложение силы нагружения к магнитоупругому элементу, выполненному из магнитострикционного материала, возбуждение его от источника переменного тока, измерение изменения напряжения магнитоупругого элемента, отличающийся тем, что силу нагружения к магнитоупругому элементу прикладывают перпендикулярно его оси, переменный ток или напряжение подают на магнитоупругий элемент на частоте проявления поверхностного эффекта и измеряют изменение напряжения или тока соответственно или измеряют изменение “поверхностного” сопротивления магнитоупругого элемента.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что силу нагружения к магнитоупругому элементу прикладывают по всей его длине.
3. Устройство для измерения силы, содержащее выполненный в виде пластины корпус, на котором закреплен магнитоупругий элемент, выполненный из магнитострикционного материала в виде электрического проводника, уложенного спиралью и подключенного к источнику переменного тока, и элемент приложения силы, отличающийся тем, что элемент приложения силы выполнен в виде пластины из электроизоляционного материала, расположенной параллельно пластине корпуса и контактирующей по всей длине с магнитоупругим элементом, подключенным к источнику переменного тока или
напряжения, обеспечивающему проявление поверхностного эффекта.
Патент RU 2377513 МПК: G01L1/12, G01G19/02:
Рассмотренный плоский датчик силы сжатия можно исполнить в виде взвешивающего панельного элемента необходимых размеров, однако такой элемент не будет отвечать предъявляемым требованиям:
- чувствительность панельного элемента к локальным нагрузкам существенно снизится, т.к. она пропорциональна отношению Z/Z (Z - полное электрическое сопротивление чувствительного элемента на частотах проявления поверхностного эффекта, Z - изменение сопротивления Z при локальном нагружении), которое уменьшается при увеличении габаритов датчика до размеров панельного элемента за счет роста величины Z - в конечном итоге это приведет к росту погрешности измерения;
- возможность определения координат локального нагружения будет отсутствовать (при любом положении одной и то же локальной нагрузки на панельном элементе весовой измерительный сигнал будет одинаковым).
Исходя из этого задачей настоящего изобретения является разработка взвешивающего панельного элемента, обеспечивающего необходимую чувствительность к локальной нагрузке и определение координат локальной нагрузки.
Решение поставленной задачи достигается тем, что взвешивающий панельный элемент включает три квадратные пластины из электроизоляционного материала - верхнюю грузоприемную, среднюю разделительную, нижнюю опорную, и два чувствительных элемента, выполненные секционно и расположенные в зазорах между пластинами. Каждая секция представляет собой линейную решетку из проводника с магнитоупругими свойствами. Длина решетки соответствует длине стороны пластины, ширина решетки соизмерима со средним поперечным размером контактного пятна между автомобильным колесом и панельным элементом. Каждая секция имеет два токосъемных вывода для снятия измерительного сигнала.
Кроме этого секции в одном зазоре ориентированы перпендикулярно относительно секций в другом зазоре и в совокупности образуют квадратную матрицу со строками и столбцами.
Квадратное исполнение обеспечивает равенство метрологических характеристик секций - строк и секций - столбцов.
Независимость секций по выходной электрической стороне (каждая секция имеет два вывода) обеспечивает подключение многоканальной измерительной схемы для опроса секций и снятия весового измерительного сигнала с каждой секции.
Такое исполнение взвешивающего панельного элемента позволяет повысить чувствительность к локальной нагрузке и определить координаты локальной нагрузки на панельном элементе.
Рост чувствительности обусловлен тем, что для секции отношение Z/Zc (Zc - полное электрическое сопротивление секции на частотах проявления поверхностного эффекта, Z - изменение сопротивления Zc при локальной нагрузке) больше отношения Z/Z для несекционного чувствительного элемента.
Определение координат локальной нагрузки на панельном элементе обеспечивается возможностью опроса секций с помощью измерительной схемы, снабженной системой опроса.
При этом опрашиваемые секции - строки и секции - столбцы привязываются к соответствующим весовым измерительным сигналам. Локальная нагрузка располагается в точке пересечения секции - строки и секции - столбца, имеющих измерительные сигналы.
Полезным также является такое свойство матричного панельного элемента, как равенство сумм измерительных сигналов секций - строк и секций - столбцов. Равенство свидетельствует об исправности устройства.
Для пояснения изобретения ниже приводится конкретный пример выполнения изобретения со ссылкой на прилагаемый чертеж, на котором изображен взвешивающий панельный элемент.
Взвешивающий панельный элемент содержит три квадратные пластины из электроизоляционного материла - верхнюю грузоприемную 1, среднюю разделительную 2 и нижнюю опорную 3 и секции 4-1 4-n, 5-1 5-n чувствительных элементов, расположенных в зазорах между пластинами. Каждая секция представляет собой линейную решетку из проводника с магнитоупругими свойствами.
Длина решетки равна длине стороны пластины, ширина решетки соизмерима со средним поперечным размером контактного пятна между автомобильным колесом и панельным элементом. Секции 4-1 4-n ориентированы перпендикулярно относительно секций 5-1 5-n.
Каждая секция имеет два токосъемных вывода для подключения к многоканальной измерительной схеме 6, снабженной системой опроса секций.
Взвешивающий панельный элемент работает следующим образом.
При локальном нагружении силой Р, перпендикулярной плоской поверхности панельного элемента, (см. чертеж, заштрихованная область Р) сопротивления Zc решеток 4-3, 5-3 и 5-4 изменятся на величину Z (решетки 5-3 и 5-4) и на величину Z+ Z (решетка 4-3). Эти изменения преобразуются в схеме 6 в электрический сигнал (напряжение или ток), пропорциональный силе Р. Одновременно путем опроса осуществляется привязка измерительного сигнала к нагруженным секциям 4-3, 5-3 и 5-4, позволяющая определить координаты локальной нагрузки Р. Далее полученная информация передается на внешние устройства, например на компьютер, где обрабатывается и отображается на экране монитора. Предложенный взвешивающий панельный элемент является по сути развитием рассмотренного выше плоского датчика силы сжатия и, благодаря своим свойствам, позволяет создать бесплатформенные автомобильные весы типа "взвешивающая панель" практически любой конфигурации и любых размеров, обеспечивающие поколесное взвешивание и определение центра тяжести груженого автотранспорта. Панельный элемент может применяться и самостоятельно, как законченное устройство, для решения различных практических задач взвешивания.
