SU1515065A1 - Весы с электромагнитным уравновешиванием - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к весоизмерительной технике и может быть использовано дл  точных взвешиваний в услови х воздействи  магнитных полей помех, а также при измерени х магнитной восприимчивости силометрическими методами. Целью изобретени   вл етс  повышение точности и расширение диапазона взвешивани . Весы с электромагнитным уравновешиванием содержат коромысло 1, трансформаторный преобразователь 5 отклонени , подвижный элемент 4 которого в виде полого цилиндра из немагнитного провод щего материала подвешен к одному плечу коромысла 1, генераторна  катушка 8 подключена к генератору 22 высокой частоты, а две одинаковые приемные катушки 10 и 11 расположены соосно с генераторной катушкой 8 на одинаковом рассто нии от ее центра. Весы также содержат усилитель 19, фазовращатель 20, регистратор 21, усилитель 23 мощности и электромагнитный компенсатор 12, подвижный элемент 18 которого выполнен полностью идентичным подвижному элементу 4 трансформаторного преобразовател  5, подвешен к другому плечу коромысла 1 и расположен в кольцевом зазоре между полюсами броневого сердечника 13 электромагнита переменного тока. Катушки 16 электромагнита и катушки 17 возбуждени  электромагнитного компенсатора 12 выполнены двухсекционными, секции каждой из катушек 16 и 17 расположены на центральном стержне сердечника 13, выполненного из магнитодиэлектрика, по обе стороны от выступа, образующего один из полюсов электромагнита. При этом секции катушки 16 включены встречно и соединены с выходом усилител  23, а секции катушки 17 включены последовательно и соединены с выходом регистратора 21. Приемные катушки 10 и 11 преобразовател  5 соединены встречно, и последовательно подключены через усилитель 19, фазовращатель 20 и регистратор 21 к катушке 17, а вход усилител  23 подключен к выходу генератора 22. 1 ил.

Description

ретсни   вл етс  повышение точности и расширение диапазона взвешивани . Весы с электромагнитным уравновешиванием содержат коромысло 1, трансформаторный преобразователь 5 отклонени , подвижный элемент 4 которого в виде полого цилиндра из немагнитного провод щего материала 1одвеи1ен к одному плечу коромысла 1, генераторна  катун ка 8 подключена к генератору 22 высокой частоты, а две одинаковые приемные катушки 10 и 11 расположены соосно с генераторной катушкой 8 на одинаковом рассто нии от ее центра. Весы также содержат усилител) 19, фазовращатель 20, регистратор 21, усилитель 23 мощности и электромагнитный компенсато|) 12, подвижный элемент 18 которого вьпю.ч- нен полностью идентичным подвижному элементу 4 трансформаторно1 о преобразовател  5 отклонени , подвен1ен к другому плечу KopOMbic. ia 1 и расположен в кольцевом зазоре между полкками броневого сердечника 13 электромагнита переменного тока. Катушка 16 электромагнита и катушка 17 возбуждени  электромаг нитного компенсатора 12 выполнены двухсекционными, секции каждой из 16 и 17 расположены на центральном стержне сердечника 13, выполненного из диэлектрика, по обе стороны от выступа образующего один из полюсов электромагнита. При этом

секции катушки 16 включены встречно и соединены с вы.ходом усилител  23, а секции катушки 17 включены последовательно и соединены с выходом регистратора 21. Приемные катушки 10 и 11 преобразовател  5

отк. юпени  соединены встречно и носледо- вате,;1ьно подключе)1ы через усилитель 19, фазовращатель 20 и регистратор 21 к катушке 17, а вход усилител  23 подключен к ныходу енератора 22. 1 ил.

Изобретенпе относитс  к весоизмеритель- Hoii технике и может быть использовано дл  точных взвен иваний нри проведе 1ии исс, 1едований и количественных ана.шзов в услови х воздействи  значительных элек- громагнитных полей помех.

Цель изобретени  - iioBbimeime точности и расп1ирение диапазона взвешивани .

Па чертеже изображена схема пред- .чагаемых весов.

Вес1з1 содержат коро.мысло 1, KOTopcje при помощи опорной призмы 2 установлено на нодушке 3. К одному из плеч коро- мькма 1 подвеи1ен подвижный элемент 4 трансформаторного преобразовател  5 отклонени  и грузоприемна  чашка 6, на которой размещен взвешиваемый груз 7. Транс- фор.маторный преобразователь 5 отклонени  состоит из |-енераторной катушки 8 с ферромагнитным сердечником 9, двух идентичных 11(1иемных катушек 10 и 11, расположенных соосно 14 нераторной катушке 8 на одинаковом рассто нии от ее центра и подвижного элемента 4, выполненного из не.маг- нитного провод щего материа. ш в виде нолого цилиндра. Электромагнитный компенсатор 12 выпатнен в виде неподвижно закрепленного на основании весов э.чектромагнита переменного тока, состо щего из магнитоди- электрического сердечника (магнитопрово- да) 13 броневого типа, полюса 14 и 15 которого образованы выступами на центральном стержне и стенках сердечника, двухсекционной катущки (обмотки) 16 электромагнита и двухсекционной катушки (обмотки) 17 возбуждени , а также подвижного папого цилин-- дра 18, идентичного по форме, размерам и материалу подвижному элементу 4 транс5

0

форма го|)11ого преобразоЕкгге.л  Г) отклонени . ЛЕ у секционные катушки. 16 и 17 электромагнита 16 и возбуждещ1  соогнегствеино размещены на центральном стержне се|)- ;;ечника так, что секции каждой из кагушек

раСП(;.ЮЖеНЫ по обе сторон, f: 1О. 1ОСО(

14 1 15 сердечника, :i)i эгом 16 э.лектромагнита включень встречно, а капушки 17 возбужд(. вк.К)

согласно. 11оДВИЖНЫЙ ПОЛЫ11 18

свобод 1о одвеще к ко)омыслу I весов гак, что он распо. южен в ко.чьцевом зазоре

5 между 1о;посов сердеч шка (ма вода) 13 э.ектромаг1 ита ept. Mei)0 о тока Приемные катущки Ю и II реобразо вател  5 отклонени  соединс1 1 встречно и нодключены к вх(.)ду уси.чител  19. к

Q выходу которого через фазовра 1а л ль 20 и 1)е истратор 21 нодключена .iyxceK uioi - на  катушка 17 возбуждени . К выходу I енератора 22 высокой часг лы подключены 1 ене)ато)на  8 нреобразонател  5 отк.чоненц  и вход усилител  23 моии1ос И,

5 к выходу которого подключена двухсск 1ион- на  катушка 16 э.чектро Лаг нита ко.мненса- тора 12.

Весы работают следующим образом. Пос.че включени  весов сигна.л с выхода генератора 22 высокой частоты подаетс 

0 на усилитель 23 моп1 1ости, усиливаетс  им и поступает в двухсекционную катушку 16 элект)ома нита компенсатора 12. Так как катуи ки 16 включены всч речно и расположены на центральном стержне сердечника 13 по обе стороны от выступа,

образую цего один из его полюсов 14, то магнитные нотоки 24, создаваемые пере- менн)м током, протекаю 1им но обоим секци м KaiyiiiKH 16, будут направлены встречно и замкнута  вдоль обозначенных пунктиром линий 24. В результате между iio.iro сами 14 и 15 сердечника 13 электромагнита компенсатора 12 возникает переменное магнитное ноле. Амплитуда индукции В магнитного пол  пропорциональна амплитуде переменного тока в катушке 16, оста ю- шегос  в процессе работы, а частота равна частоте сигнала на вы.ходе генератора 22 высокой частоты. Одновременно сигнал с вы.хода гене)атора 22 высокой частоты поступает на генераторную катушку « трансформаторного преобразовател  5 отклонени . При наложении груза

7на чашку 6 весов, коромысло I отклон етс  от положени  равновеси , что приводит к возникновению на выходе встречно вк;1К)- ченны.х п)иемных катушек 10 и II транс- фог)маторного преобразовател  5 отк, |оне- ни  сигнала переменного тока. Уровень сигнала на выходе преобразовател  5 отклонени  П)ог1орционй. 1ен уг лу отклонении коромысла 1 от по.южени  равновеси , а е|Ч) фаза зависит пт направлени  шени  (вниз или пве)х) плеча коромысла, св занно о с подвижным элементом -- полым ци, 1инд)ом 18 преобразовател  5 огк, не)1и  Фаза cm нала отклонени  измен етс  на 180 при нереходе коромысла через положение равновеси . (д1гна, отклонени  переменного тока поступает на вход усилител  19, усиливаетс  и через фазовращатель 20 и регистратор 21 подаетс  в секционнук) катуп1ку 17 возбуждени .

Так как секции катушки 17 |юзбуждени  вклк)чен1,1 cor, iacHo, it.) магнитные потоки, создавае.мьи, протекаюн.1им но ним переменным током, имеют одинаковое нап|)авление.

8результате магнитный поток 25, создаваемый катушкой 17 возбуждени , .замыкаетс  по цент)а,чьн(му и боковым стержн м сердечника 13 вдоль обозначенньгх нунк- тиром линий 25.

Так как магнитное сопротивление дечника 13 в тыс чи раз меньше сопротивлени  воздуп1но|-о зазора между полюсами , то практически весь магнитный ноток 25 возбуждени  пройдет по сердечнику 13, а потоки рассч ивани , в частности в межполюсном пространстве, будут n)eni - брежимо малыми.

11еремеиный ма1Д1итный поток 25 наводит в HewaiHHTHOM провод щем цилипдре 18 комненса гора 12 токи Фукг) (ви.хревые токи), кото)ые замыкаютс   по окружност м, лежащим в плоскост х, перпендикул рных оси цилиндра. Амплитуда этих токов пр мо пропорциональна а.мпли- туде навод щего их магнитного потока 25, т.е. току катушки 17 возбуждени , и обратно пропорциональна удельному э,тектри- ческо.му сопротивлению материала гкхлою цилиндра 18, а также зависит от геометрических размеров пос.леднего. Наведенные токи образуют суммарный наведенный круговой ток полого цилинд|)а 18, частота которогч) равна частоте тока возбуждени . Наведенный ток отстает по фазе от тока возбуждени  на 90° и равен

.

10

амплитуда переменного к)угового тока, протекающего в полом немаг нитном провод щем цилиндре 18; Р - удельное электрическое сопротивление материала по,1С)го ци,линд- ра 18;

5 It -- амплитуда переменного тока протекающего по катушке 17 возбуждени ;

..)частота тока возбуждени ;

ц-угол сдвига фаз между током

возбуждени  и круговым током 20ци,линдра;

ч коэффициент учитывающий геометрические размеры полого цилиндра 18.

К|пговой ток, протекакпций по стенкам 25 подвижного по, 1ого цилиндра 18, наход - ннч ос  в зазоре между полюсами 14 и 15 :(.им 1ромагнита компенсатора 12, взаимодей- сгихч т с магнитной индукцией перемепного по.л . создаваемой электромагнитом. В ре- iy.ibraTc этого взаимодействи  во шикает 30 си.41 F. действующа  на полый ци,индр 18 и врашак ла  коромысло I весов в no, io- женпс, б,1изкое к исходному положение 1;111Н1пич ИЯ. В случае С(Жпадени  фазм hjsy много лока в по.лом ци,линд|1С 18 с магнитной индукции В пол  между no,iio- 35 ; ам;| 14 и 15 э,лектромагнита компенса тора, мгновенное значение уравновешиваю 111ей силы Р„ будет равно

B,:,Sinwl I й„.. ГС11/,( 2)

среднее за период;

/vr ,,,:{ -

/ г

(Y;.S-,,,/ ) 1ц1 B,,,dt-l I ц/ 8,::COS,ldt

амп,литуда магнитной индукции переменного пол  между полюсами 14 и 15 электромагнила компенсатора 12;

длина рабочего участка кругово1Ч)

тока полого цилиндпа 18;

.

Гаки.м образом, среднее за период зна- чение у равновеп1ивающей силы Г. действующей на полый цилиндр 18, пропорционально амплитудному (или действующему) значеиию протекающего по нему Kpyi OBOixj тока, т.е. току катушки 17 возбуждени , а следовательно, углу отклонени  коромыс;1а 1 от положени  равновеси . Направление действи  силы зависит от направлени  кругового тока в полом цилиндре 18 и индукции магнитног о нол  между полкх ами 14 и 15 электромагнита компенсатора 12. Так как ток и индукци  измен ютс  с одинаковой частотой, то направление действи  силы не измен етс  со временем. Л 1 новенное же значение силы измен етс  от нул  до максимального с удвоенной частотой. Однако циклическое изменение силы с частотой даже в несколько дес тков Гц (а тем более выше) в силу инерционности коромысла 1 не п)иводит к его колебани м или раскачиванию и не нарушает нормальной работы весов. Исключение фазового сдвига между круговым током и магнитной индукцией обеспечивает получение максимального уравновешивающего усили  при выбранны.х параметрах компенсатора. При biTOM магнитный поток. 24 дву.хсек- ционной катуп1ки 16 :1лектрома1иита не в, 1п ет на величину круговых токов в полом цилиндре 18, так как вектор магнигной индукции создаваемого ей магнитного пол  направ.тен в межпо.чюсном пространстве пернендикул рно поверхности по.то1Ч) пи- липдра 18. В свою очередь, магнитный поток 25, двухсекционной катушки 17 возбуждени , павод ши круговые токи в Ц)лом цилиндре 18, не вли ет на значение магнитной индукции в межио,1юеном пространстве сердечники 13 : лектромагнита комиен- саюра 12, так как пп.;н1остью зам1 1каетс  но сердеч нпку 13. Поэтому т гова  xajiaK- теристика предлагаемых весов CTpoio линейна . В то же врем  на,1ичие сердечника 13 увеличивает .индуктивную св зь между катушкой 17 возбужде11и  и иолым цилиндром 18, а след{)ва1е. 1ьно, и наводимые в нем круговые токи. В результаге резко возрастает т говое усилие электромагнитного компенсатора 12. т.е. значительж) расшир етс  диапазон автоматического взвешивани . Вынолнение сердечника 13 электромагнита из магнитодиэлектрика высокочастотного магнитного материала позвол ет уси,тенный сигнал с выхода трансформаторного преобразовател  5 отклонени  подавать в катушку 17 возбуждепи  электро 1агпит- пого компенсатора 12 без преобразовани  его частоты, что, безусловно, нов| пцает точность передачи сигпала отклонени , а следовательно, и точность взвен1ивани . В результате вынолнени  сердечника 13 из магнитодиэ.тектрика значение .магнигной индукции в межнолюсном пространстве э,1ектромагнита снижаетс  (по сравнению со случаем, когда он изготовлен из элек- троте.хнической стали или феррита, а частота возбуждени  не превышает нескольких сотен Гц), однако это снижение во много )аз

перекрываетс  увеличением значени  наведенных в полом цилиндре токов, как за счет усилени  индуктивной св зи между катушкой 17 возбуждени  и полым цилиндром 18, так и за счет применени  токов возбуждени  значительно более высокой частоты .

Таким образом, иснользование предлагае- мы.х весов нозвол ет, во-первы.х, исключить вли ние нол  электромагнита компенсатора

0 12 на наведенный круговой ток в нодвиж- ном элементе - полом цилиндре 18 и одновременно исключить вли ние пол  катушки 17 возбуждени  на поле в межполюсном пространстве электро.магнита, а также лине5 аризовать т говую характеристику электромагнитного компенсатора 12 и, следовательно , повысить точность взвешивани , во вторых, усилить индуктивную св зь между катушкой 17 возбуждени  и полым цилиндром 18, б, а одар  чему значительно увели0 чить т 1 овое усилие электромагнитного компенсатора 12 и рас|пирить диапазон взвеи1И- ваг1и  в сторону больших значений, в-третьих нодавать сигнал с выхода трансформаторного преобразовател  5 отклонени  в катуш5 ку 17 В(гзбуждени  элекгромашитного компенсатора 12 без преобразовани  частоты СИ Ha.ia, т.е. уменьшить погрешность передачи си1 на,1а отклонени  и новысить точность взвешивани .

Пример. Был изготовлен макет предла

0 гасмых автоматических весов с э,-1ектрома1 - нитным урав11овеп1иванием. В макете использованы осн(Я4ные дета, и узлы серийно выпускаемых весов типа ВЛР -20 г. Ор- дечник э.К кгро.магнита переменного тока компенс;г1()|)а склеен из набора ко,1ец магни5 то:(лекгрика марки Р 20 1)азличпог( лиа- метра и стержн , имеющих начальную м;.м 1пг1 иую проницаемость около 10. Двухсекционна  обмотка электромагнита содержит 60() Bi TKOB провода Г1ЭВ -2 диаметром

„0,4 мм. Рассто ние между полюсами в кольцевом зазоре электромагнита равно 6 мм, средний диаметр зазора равен 31 мм, а высота 1о,.1юс()в равна 20 мм. (.)бмотка возбуждени  электромагнитного ко м пенс а- юра, Г1редназ}1аченна  д.т  наведени  ЭДС

5 в уравновеишвающем полом электронровод - шем немагнитном цилиндре состоит из двух встречно включенных | екций по 100 витков в каждой провода Г1ЭВ- 2 диаметром 0,2 мм.

Уравн(жен1Иваюни1Й цилиндр, выно. шен0 ный из алюмини , свободно подвешен к коромыс.ту весов и имеет внутренний диаметр 29 мм, внешннй диаметр 31 мм, а высоту 15 мм. При токе на выходе усилител , равном 0,2 А, электромагнитный компенсатор развивает усилие до 6500 М1 .

5 П)еобразователь отклонени  коромысла весов состоит из генераторной катушки, двух приемных, расположенных еоосно с гене- рггго ной, и подвижного элемеша, выполпенного в виде цилиндра, идентичного по форме, размерам и материалу подвижному элементу электромагнитного компенсатора и pa:iMeiiieHHoro в кольцевом зазоре между reHcpaTCjpiioH и приемной катушками . Подвижный элемент подвешен к ко)о- мыслу весов. Генераторна  катушка имеет 400 витков провода ПЭВ- 2 диаметром 0,1 мм, приемные - но 200 витков такого же провода.

Генератор высокой частоты собран но схеме с мостом Вина на операционном усилителе КГ)44УД1. Стабилизаци  амплитуды выходнс  о сигнала генератора осуществл етс  с 11омон1ью отрицательно обратной св зи но пиковым значени м Bi,i- ходного напр жени . Частота генерации выбрана равной 100 кГц.

Усил те. П) мощности собран но автомобильной с.хеме L изолированными полюсами источника пигапи  и «аземленпой динамической средней TOMKOii В выходном каскаде усилител  мощности применены транзисторы КТ803А. В качесгве усилител  использована микро -хема К544УД1, а фазовра- шате;1ь построен но стандартной схеме. Ре1истраци  массы звен1иваемого груза осуществл етс  с по.мошью вольтметра тина В7 28 по падению нанр жени  переменного тока на (.1бразц(.)вом резисторе. Испытани  макета показали, что, в резульгак псклк чеип  в.ш нии 1о, 1Я электромагнита компенсатора 12 па ток в исхюм ци, 1ин ipc 18, и iio. iH катуип и 17 возбуждени  на Ho.ie в меж11о,1Н)сном п)острансгвс э.1ект)о- маппгга. а также /си.к ни  индуктивной св зи межд) кату|пкой 17 возбуждени  и КХ1ЫМ ии. 1инд|)ом 18, и исключени  дв(.Г1Ного 11)еобразовани  частот) сигна/ а отклонени , 1|Н длагаемые весы с элсктро- ма нитн)1м уравновс (вак)т новьппение точности взве нивани  в 3 5 раз и ) (Л)а взвен ивани  в 10- 15 раз в сторо1 у значе 1 П1.

10

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   5

   0

   Весы с электромагнитным уравнове ни- , содержащие коромысло, трансфо ь маторный преобразователь, св занный с одним 1лечо.м коромысла, электрома нитный компенсатор, св занный с другим п,ечом коромысла, генератор высокой частоты, ер- вый усилитель и регистратор, причем форматорный преобразователь включает в себ  первый чувствительный элемент, ,1- ненный в виде полого цилиндра из ) провод щего .матернала, re icpaгорную катушку, подключенную к генерато п ВЫСОКО частоты, и две идентичные нрием- н)е кату1нки, расположенные соосно с генераторной катушкой на одинаковом шс- от ее центра, отличающиес  тем, что, с целью повышени  точности н расшн- рени  дианазона взвен1ивани , они спабжс 1Ь фазовра цателем и вторым усилнте,1ем, ри этом э,тектромагнитный компенсатор ,1- нен в виде замкнутого броневого сердсч- )ика с 1ентральным стержнем из магнито- диэ,1ектрического материала, па 1ротиво о- ложнь х сторонах сердечннка и нг 1ентра.- ном стержне выполнены выстуны, обра- лруг к с образ()1а11ием ко,-1Ь 1евого зазора, второго чувстви re.) элсме 1та, идентич юго первому и разменкм - ного в коль 1евом зазоре, двух д ухсек и- () катуп ек элекгромагнит.ч и возбужде 0 1Я, котор)х размен1ены ia .ii,

   iON стержне l() обе стороны от .

   секцни в электрома TUI i вк,)1 встречно и соедине и с в)пло 1ерво() уси, 1ите, | , а секции возбуждени  включены СО ЛаСНО и COe.) с входом ре ИСТраТОра, ПрИеМ Н)1е К,1

   вк. 1К)чены ослсдовательно встречно : через второй усилите,ть, фазовранхате.т) и ратор С(кминены с катуп кой возбужд| 1  , а вход первого уси,тител  нодк.тючен к и ходу ie iepaTopa высокой частоть.

   5

   5