SU1622781A1 - Способ измерени силы с компенсацией температурной погрешности - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике и предназначено дл  измерени  усилий в устройствах пр мого преобразовани . Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени  силы электромеханическими устройствами с балочным упругим элементом. Предварительно при калибровке измерительного устройства определ ют собственную частоту свободных колебаний балочного упругого чувствительного элемента 1. Непосредственно перед измерением или в процессе измерени  определ ют текущее значение его собственной частоты свободных колебаний. Температурно- зависимую поправку определ ют как квадрат частного от делени  текущего значени  собственной частоты на значение собственной частоты при калибровке и умножают текущее значение выходного сигнала на вычисленную поправку . 1 ил. Ё

Description

ON

ю

К)

VJ

00

Изобретение относитс  к прецизионному машиностроению и предназначено дл  измерени  усилий в устройствах пр мого преобразовани , имеющих малодемпфированные стержневые (балочные) упругие чувствительные элементы, работающие на изгиб.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени  силы электромеханическими устройствами с балочным упругим элементом.

На чертеже представлена упрощенна  функциональна  схема предлагаемого устройства .

Устройство содержит балочный упругий чувствительный элемент 1, консольно закрепленный в корпусе 2. На самом чувствительном элементе 1 в зоне его наибольших изгибных напр жений размещен вторичный измерительный преобразователь , условно обозначенный на чертеже зоной 3. В качестве такого преобразовател  может быть использован, например струнный автогенератор, пьезоэлектрический элемент, тензорезистивный мост с наклеенными тензоэлементами. Вторичный измерительный преобразователь может бьпь образован и непосредственно в материале балки и выполнен, например, на поверхностно-акустических волнах (ПАВ) или с нанесением пьезо- или тензорезистивных элементов, Этот случай условно отмечен на поз.З . Вторичный измерительный преобразователь может быть установлен и у конца чувствительного элемента, например, преобразователи емкостного или фотоэлектрического типа, Этот вариант отмечен поз. 3 Дл  успешной реализации способа необходимо условие отсутстви  принудительного демпфировани  либо наличие относительно малого естественного демпфировани  за счет внутреннего трени  в материале чувствительного элемента или демпфировани  окружающей балку газовой средой. Обычно это выполн етс  в большинстве силоизме- рительных устройств стержневого типа. Вторичный измерительный преобразователь 3 подключен к входу усилительно-преобразовательного устройства (УПУ)-4 (им может быть в простейшем случае усилитель, частотно-зависима  электронна  схема, канал выделени  разностной частоты и т.п. в зависимости от типа вторичного измерительного преобразовател ). Выход УПУ-4 подключен к регистрирующей аппаратуре 5 (например стрелочному или цифровому индикатору). Кроме этого, выход УПУ-4 соединен с частотомером 6. Устройство снабжено ударным механизмом, состо щим из закрепленной в корпусе 2 консопьной биморфной пластины 7

с бойком 8, электроды которой подключены к выходу источника импульсного напр же- ли  9.

Предложенный способ реализуетс 

следующим образом.

При калибровке силоизмерительного устройства в заводских либо в лабораторных услови х перед началом цикла измерений определ ют собственную частоту

свободных изгибных колебаний чувствительного элемента в направлении измерительной оси. Определение частоты при этом возможно как при подключении источника 9, так и на ударном стенде в процессе вибро-ударных испытаний издели . Далее, непосредственно перед началом измерени  (приложением измер емой силы) от источника 9 задаетс  ударное возмущение чувствительного элемента 1 благодар  изгибу

пластины 7 и ее быстрого возвращени  в исходное положение послесн ти  импульса напр жени .

В процессе колебаний элемента 1 частотомером б производитс  определение текущего значени  собственной частоты колебаний чувствительного элемента, Следует заметить, что, если измер емый силовой параметр F в процессе нагружени 

балки чувствительного элемента не вносит дополнительную (присоединенную) массу и не мен ет ее изгибную жесткость, как это имеет место в акселерометрах, то выше описанную операцию определени  текущей часлоты можно производить и в процессе измерени 

Следующа  операци  способа - определение частного от делени  текущего значени  собственной частоты на значение

собственной частоты при калибровке и возведение результата делени  в квадрат производитс  численно по результатам измерени . Возможна и аппаратурна  реализаци  этой операции, как и реализаци  последующей,

последней операции, св занной с введением поправки в результат измерени  силы домножением значени  показаний силоиз- мерител  на квадрат частного от делени  искомых частот.

Эффект температурной компенсации

результатов измерени  в данном способе достигаетс  следующим образом.

Сигнал с выхода силоизмерител  при калибровке можно представить в виде

11пыхТо КТоР,(1)

где кто - крутизна характеристики преобразовани  силоизмерител  при температуре Т0, при которой калибровка производитс ;

F- прикладываема  (измер ема ) сила. В то же врем  kTo можно выразить

Кп

MO

(2)

f - текуща  частота балки, измеренна  непосредственно перед ее нагружением измер емым усилением F.

Из теории свободных колебаний стерж

где Ст0 жесткость балочного чувствительного элемента на изгиб при температуре Т0,

Кп - произведение коэффициентов преобразовани  вторичного измерительного преобразовател  и последующих функциональных элементов силоизмерител  вплоть до указател  (регистратора).

Жесткость балочного чувствительного элемента при текущих измерени х можно представить

С Ст0 1 + («Е -+   ) А Т + а с а д Т2 АСТО,(3)

где «Е температурный коэффициент изменени  модул  Юнга материала балки,

о. - температурный коэффициент линейного расширени  материала балки.

А - коэффициент, учитыплющий изменение параметров материала упругою эпе- мента от температуры.

Таким образом, с учетом (1) - (3) при условии, что температурными нестабильно- ст ми других элементов можно пренебречь, текуща  величина выходного сигнала сило- измерител  выразитс  1

U

kTo7F.

(4)

Домножим теперь правую и левую части выражени  (4) на отношение f /f2To, получим

f2,o

k

1

Т°Х

f

где fr0 частота собственных изгибных колебаний балки чувствительного элемента в направлении приложени  измер емой силы , измеренна  в процессе калибровки силоизмерител ,

и

что Я ,

f2To

(6)

10

15

20

25

30

35

40

45

тогда с учетом (1) имеем f2

UBUX -J - KToF - U|iblXT0

f TO

Таким образом.из вышеприведенного следует , что в предложенном способе за счет дом- ножени  выходного сигнала силоизмерител  на квадрат чдстнсго от делени  частот Рэлки его чувствительного элемента, определенных перед измерением и при калибровкесилоизмерител , достигаетс  температурна  компенсаци  погрешности сипоизмермтелл, обусловленна  температурными изменени ми свойств материала чувстпительного элемента

О о р м у л а изобретени  iгособ измерени  силы с компенсацией 1вмпрратурной погрешности, заключающийс  в фиксировании текущего ЗППЧРНИЯ выходного сигнала и введении n HGTO тем- пературно зависимой поправки от л и ч а- ю щ и и с и ем, что г цепью повышени  точности измерение си/ты лектпомехэни- ческими устройствами с балочным упруг им элементом, предварительно при калибровке устройства определ ют собственною частоту свободных колебаний чувствительного элемента , дл  устройств с контактным измерением силы непосредственно перед измерением, а дл  устройств с бесконтактным измерением силы непосредственно перед измерением или в процессе измерени  определ ют текущее значение собственной частоты свободных колебаний, при этом температурно-зависимую поправку определ ют как квадрат частного от делени  текущего значени  собственной частоты на значение собственной частоты при калибровке и умножают текущее значение выходного сигнала на вычисленную поправку.

Claims (1)

1. Формула изобретения

   I (’особ измерения силы с компенсацией температурной погрешности, заключающийся в фиксировании текущего значения выходного сигнала и введении в него температурно зависимой поправки, от л и чающий с я ’ем, что с целью повышения точности измерения силы электромеханическими устройствами с балочным упруг им элементом, предварительно при калибровке устройства определяют собственною частоту свободных колебаний чувствительного элемента. для устройств с контактным измерением силы непосредственно перед измерением, а для устройств с бесконтактным измерением силы непосредственно перед измерением или в процессе измерения определяют текущее значение собственной частоты свободных колебаний, при этом температурно-зависимую поправку определяют как квадрат частного от деления текущего значения собственной частоты на значение собственной частоты при калибровке и чмножают текущее значение выходного сигнала на вычисленную поправку.