FI86770C - Foerfarande och anordning foer omvandling av mekaniska storheter till elektriska - Google Patents

Description

, 86770

Menetelmä ja laite mekaanisten suureiden muuttamiseksi sähköisiksi. - Förfarande och anordning för omvandling av mekaniska storheter tili elektriska.

Keksinnön kohteena on menetelmä, jolla mekaaniset suureet, kuten paikka, siirtymä, kulmaliike, voima ja paine, voidaan muuttaa sähköiseksi signaaliksi ilman mekaanisia liikkuvia osia. Menetelmä perustuu kimmoisassa, suljetussa tilassa, esim. letkussa, olevan nesteen impedanssin muutokseen, kun e.m. mekaaninen suure aiheuttaa muodonmuutoksen kyseiseen tilaan. Keksinnön kohteena on myös laite menetelmän suorittamiseksi .

Paikan mittaaminen perustuu useimmiten mekaaniseen vastuslan-ka- tai hiilikalvopotentiometriin, jossa paikka, siirtymä tai kulmaliike aiheuttaa sähköisen vasteen resistanssin muutoksena. Vastusmekanismi on näinollen joko lineaarinen tai pyöriteltävä tarpeen mukaan. Haittana voidaan mainita mm. an-turirakenteen kuluvuus. Viimeaikoina ovat myös yleistyneet induktiiviset, sähköakustiset, akustiset ja optiset menetelmät paikan mittaamiseksi, jolloin päädytään huomattavan monimutkaiseen elektroniikkaan. Samoin on haittana anturien herkkyys likaantumiselle, sähkömagneettisille häiriöille ja tärinälle.

Paineen mittaus perustuu lähinnä vastusvenymäliuska-anturei-hin, jolloin paineen aiheuttama muodonmuutos aikaansaa muutoksen vastusarvossa. Tällöin liikkeen laajuus ei voi olla suuri. Kapasitiiviset ja induktiiviset anturit puolestaan ovat soveliaita lähinnä akustisten paineaaltojen mittaukseen.

Voiman mittaaminen puolestaan palautuu tilanteesta riippuen joko siirtymän mittaukseksi jousikuormaa vastaan tai paineen mittaukseksi jonkin väliaineen välityksellä.

Nykyisten menetelmien epäkohdat ovat tilanteesta riippuen joko monimutkaisuus, käyttöikä, hinta, koko, häiriöalttius tai 2 86770 luotettavuus. Monesti törmätään tilanteisiin, missä millään e.m. ominaisuuksien kompromissilla ei päästä riittävän lähelle asetettuja vaatimuksia.

Keksinnön mukaisen menetelmän suorittamiseksi on konstruoitavissa anturi, jolla saavutetaan merkittäviä etuja verrattuna aikaisempiin ratkaisuihin. Keksinnön etuina voidaan pitää, että on mahdollista valmistaa edullisesti anturi, joka on kooltaan pieni, ei vaadi monimutkaista elektroniikkaa, ei sisällä mekaanisesti liikkuvia osia, helposti linearisoitavissa, passiivisena komponenttina vasteeltaan nopea sekä aivan uutena ominaisuutena mahdollisuus yhdistää ilman monimutkaisia konstruktioita sekä liikeanturi, että paineanturi. Tämän toteuttamiseksi keksinnön mukaiselle menetelmälle on ominaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerk-kiosassa. Laitteen tunnusmerkit on esitetty patenttivaatimuksessa 3.

Seuraavassa keksintöä selitetään yksityiskohtaisesti oheiseen piirustukseen viittaamalla.

Kuvio 1 esittää menetelmän sovellutusta, jossa menetelmän suorittamiseksi on konstruoitu lineaarisen liikkeen anturi, jossa sähköisesti mitattava suure on impedanssin reaaliosa eli resistanssi.

Kuvio 2 esittää tapausta, jossa kuvion 1 anturia on käytetty esimerkin vuoksi robottikäden paikkatakaisinkytken-nässä.

Kuvio 3 esittää tapausta, jossa kuvion 1 anturia käytetään nestepinnan korkeuden määritykseen.

Kuvio 1 esittää anturin rakenteen kaavamaisesti. Elastisesta materiaalista valmistettu letku 1 on täytetty sähköä johtavalla nesteellä 2 ja letkun päät on tukittu nesteen kemiallisen vaikutuksen kestävillä johtavasta materiaalista valmiste- li 3 86770 tuilla tulpilla 3, 4 eli elektrodeilla. Näinollen nestemäärän tilavuus V letkussa on nestepatsaan 2 päiden 6 välinen pituus L kertaa nestepatsaan poikkipinta-ala A.

V = L * A (1)

Elektrodien 3, 4 väliltä mitattava resistanssi R on näinollen nesteen 2 ominaisvastus r (£l/m) kertaa nestepatsaan pituus L jaettuna nestepatsaan poikkipinta-alalla A; kaava (2). Kun kaavaan (2), jonka oikea puoli on lavennettu tekijällä L, sijoitetaan kaava (1) saadaan kaava (3) ja todetaan, että koska tilavuus säilyy suljetussa putkessa nesteen kokoonpuristumat-tomuuden takia vakiona resistanssi on suoraan verrannollinen nestepatsaan pituuden L toiseen potenssiin.

R = r * L / A (2) R=r*L2/(A*L)=r*L2/V (3)

Letku toimii nestepatsaan suojakuorena ja palauttavana jouse-na. Letkun oletetaan olevan tässä ratkaisussa vaipaltaan tasapaksua ja homogeenista materiaalia, mutta käyttämällä sopivalla tavalla muotoiltua tai materiaaliltaan sopivasti epähomogeenista letkua voidaan saavuttaa myös muunlaisia vastaavuuksia resistanssin ja liikkeen välillä. Tällöin venytettävä letku kuroutuu kimmoisammasta kohdasta enemmän kuin vähemmän kimmoisasta. Vaikka tässä tapauksessa impedanssin johtaminen matemaattisesti on hankalaa, voidaan anturin kalibrointi kutakin käyttösovellutusta varten tehdä helposti kokeilemalla. Samoin saadaan resistanssi muuttumaan venytysliikkeen sijasta puristamalla letkua. Tällöin resistanssimuutoksen vastaavuuden määrää puristavan kappaleen dimensiot sekä elastisen materiaalin ominaisuudet. Erityisesti on huomattava tapaus, jolloin kuvan 2 kaltaisessa esimerkissä on yhdistetty sekä pituuden kasvuun perustuva pinta-alan Αχ pieneneminen että ulkopuolisen paineen aiheuttama paikallinen pinta-alan A2 pieneneminen. Kun robottikäden sormi puristuu koukkuun, kasvaa nestepatsaan 2 päiden 6 välimatka ja resistanssin muutos 4 86770 noudattelee kaavaa (3), mutta saavutettuaan kosketuskohdan K, jossa nestepatsaan 2 pinta-ala A2 voimakkaasti pienenee, kasvaakin resistanssin arvo voimakkaammin antaen tiedon kosketuksesta ja tämän jälkeen kosketusvoimasta pinta-alan A2 pienetessä edelleen.

Eräs mielenkiintoinen sovellutus on nesteen pinnankorkeuden mittaus. Tällöin letku 1 on kuvan 3 mukaisesti asennettuna säiliössä. Letku 1 on tällöin ohutseinämäinen ja neste on letkussa paineistettuna. Tällöin ulkopuolisen nesteen paine kuristaa nestepinnan alla olevaa letkua siten, että syrjäytyvä neste nousee pinnan yläpuolella olevaan letkunosaan, joka vastaavasti venyy ja laajenee. Resistanssin muutoksen riippuvuus pinnankorkeudesta voidaan selvittää kokeellisesti, jolloin mittalaite voidaan kalibroida niin, että mittaamalla resistanssia saadaan pinnankorkeus mitatuksi. Tähän riippuvuuteen vaikuttavat monet eri seikat kuten nestepatsaan pituuden suhde poikkipinta-alaan, letkun seinämävahvuus ja materiaalin kimmoisuus, nestepinnan maksimikorkeuden yläpuolelle jäävän letkunosan tilavuus ja muoto (pituus/poikkipinta-ala) suhteessa nesteen sisään jäävän letkunosan tilavuuteen ja muotoon.

Leikkauksissa B5, B4 ja B3 on esitetty poikkipinta-alat A5 paineen vaikuttaessa syvällä (poikkipinta-ala pienin), A4 paineen vaikuttaessa lähellä pintaa (poikkipinta-ala edellistä suurempi) ja A3 ilmatilassa (poikkipinta-ala selvästi edellistä suurempi). Pinnankorkeuden noustessa letkun 1 sisältämän nestepatsaan päiden 6 välinen nestepatsaan pituus liääntyy hieman, mutta tämän merkitys resistanssin muutokseen on vähäinen verrattuna siihen resistanssin kasvuun, jonka paineen aiheuttama poikkipinta-alan pieneneminen saa aikaan. Tässä sovellutuksessa tulee erinomaisesti esille menetelmän käyttökelpoisuus tulenarkojen nesteiden säiliöissä, koska an-turirakennelma on galvaanisesti erotettu mitattavasta aineesta. Päihin 6 liittyvät mittauselektrodit voidaan sijoittaa säiliön ulkopuolelle.

5 86770

Esimerkki

Elastisena materiaalina käytettiin silikoniletkua, jonka pituus oli 100 mm, ulkohalkaisija oli 3 mm ja reiän halkaisija 1 mm. Johtavana nesteenä oli suolavesi, jonka sekoitussuhde on 1 tl ruokasuolaa (NaCl) litraan vettä. Lepotilan vastusar-vo oli välillä 200 - 300 kohm (herkkä seossuhteelle). Letkua venytettäessä vastus kasvoi lepovastusarvosta mittaamattomaan (eriste). Venytyksen tietyssä vaiheessa nestepatsaaseen siis kuroutui katkeamakohta.

Kuten edellä on käynyt jo ilmi, voidaan elastisen materiaalin homogeenisuutta, dimensioita ja kimmoisuutta säätelemällä saada aikaan erilaisia vastaavuuksia mekaanisen suureen ja impedanssin välillä. Tämä mahdollisuus lisää keksinnön soveltuvuutta erilaisiin käyttökohteisiin. Myös käytettävän nesteen ominaisuuksia säätelemällä saadaan aikaan erilaisia vastaavuuksia mekaanisen suureen ja impedanssin välillä. Käytettävän nesteen säädeltäviä ominaisuuksia ovat esim. ominais-vastus ja dielektrisyysvakio. Esim. ominaisvastukseltaan suurempi neste antaa suuremman suhteellisen muutoksen samalla ärsykkeellä.

Kun mitattava suure on aiheuttanut muodonmuutoksen anturiin ja samalla nesteeseen, palautuu anturi alkuperäiseen muotoonsa elastisen materiaalin kimmoisuuden avulla mitattavan suureen lakattua vaikuttamasta. Neste kokoonpuristumattomana ei osallistu tapahtumaan kuin voiman välittäjänä.

Tietynlaisissa aineen viskositeetin mittauksissa menetelmä on myös käyttökelpoinen. Muutoinkin on todettava, että keksintöä edellä on selitetty vain muutamaan sen edulliseen toteuttamis-esimerkkiin viitaten. Tällä ei kuitenkaan millään tavoin haluta rajoittaa keksintöä vain näitä sovellutuksia koskevaksi, vaan monet muunnokset ovat mahdollisia seuraavien patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (5)

86770

1. Menetelmä mekaanisten suureiden muuttamiseksi sähköisiksi, tunnettu siitä, että menetelmässä käytetään elastisella materiaalilla ympäröidyn nestetilavuuden muodonmuutoksista aiheutuvaa impedanssin muutosta kyseisessä nesteessä, ja mitataan mainittu impedanssin muutos,

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet- t u siitä, että elastisen materiaalin kimmoisuutta käytetään aiheutuneen muodonmuutoksen alkutilaan palauttavana voimana.

3. Laite patenttivaatimuksen 1 mukaisen menetelmän suorittamiseksi, tunnettu siitä, että laitteeseen kuuluu elastisella materiaalilla (1) ympäröity nestetilavuus, joka on täytetty ainakin jossain määrin sähköä johtavalla nesteellä (2) ja jossa on elektrodit (3, 4), jotka ovat sähköä johtavassa yhteydessä toisiinsa mainitun nesteen (2) kautta.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen laite, tunnettu siitä, että elastinen materiaali (1) on putken tai letkun muodossa ja elektrodit (3, 4) on kiinnitetty putken tai letkun päihin siten, että ne muodostavat sulkutulpat neste-tilavuudelle.

5. Patenttivaatimuksen 3 tai 4 mukainen laite, tunnet-t u siitä, että laitteen kaikissa käyttöasennoissa neste (2) on paineenalaisena. 1 li Jonkin patenttivaatimuksen 3-5 mukainen laite, tunnettu siitä, että elastisen materiaalin homogeenisuus ja/tai kimmoisuus vaihtelee materiaalin eri kohdissa. 7 86770 Pa t-.ent~.krav