SU1696844A1 - Устройство дл измерени линейных размеров образцов материалов - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике. Целью изобретени   вл етс  расширение функциональных возможностей , повышение точности и быстродействи  измерений. В режиме начальной установки контур, образованный датчиком 1.4 перемещений преобразовател  1 перемещений , усилителем 11, блоком 19 вычитани , ключом20. первым усилителем 21, сумматором 8, генератором 9 тока, магнитоэлектрическим задатчиком 1.1 осевых сил преобразовател  1 перемещений, разомкнут с помощью ключа 20, управл емого

Description

Изобретение относитс  к измеритель- ной технике и может быть использовано дл  измерени  линейных размеров образцов материалов, наход щихс  в жидком, высокоэластичном , твердом состо ни х, и их изменений под воздействием температуры, нагрузки и скорости нагружени .

Цель изобретени  - расширение функциональных возможностей,.повышение точности быстродействи  измерений.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства; на фиг.2 - конструкци  преобразо- вател  перемещений; на. фиг.З - конструкци  другого элемента.

Устройство содержит (фиг. 1) преобразователь 1 перемещений, в который входит магнитоэлектрический задатчик 1.1 осевых сил, стержень 1.2 из материала с малым коэффициентом расширени , например из кварца, первый упругий элемент 1.3, преп тствующий радиальным перемещени м, датчик 1.4 перемещений конденсаторного типа, второй упругий элемент 1.5, идентичный первому, термо-криокамеру 2 с первым термодатчиком 2.1, терморегул тором 2.2 и вторым термодатчиком 2.3, регистратор 3, микроЭВМ 4 с интерфейсной шиной 5, пер- вый регистр 6, управл емый источник 7 напр жени , сумматор 8, генератор 9 тока, генератор 10 функций, предварительный усилитель 11, первый управл емый усилитель 12, первый блок 13 вычитани , второй регистр 14, первый цифроаналоговый преобразователь 15 (ЦАП), подключенный к блоку 13 вычитани , третий регистр 16, второй управл емый усилитель 17, первый аналого-цифровой преобразователь 18 (АЦП), второй блок 19 вычитани , ключ 20, первый усилитель 21, подключенный к сумматору 8, второй усилитель 22. третий блок 23 вычитани , третий усилитель 24, подключенный к терморегул тору 2.2 второй ЦАП 25, четвертый регистр 26, усилитель 27 термоЭДС и второй АЦП 28.

Преобразователь 1 перемещений содержит емкостной датчик перемещений, со- сто- щий из ротора 29, на котором закреплены диск 30 с первой базовой плоскостью отсчета, и статора 31, магнитоэлектрический задатчик осевых сил, состо щий из посто нного магнита 32, магнитопровода 33 подвижной катушки-34, плиту 35 с второй базовой плоскостью 36 отсчета и теплообменником 37. На плите 35 с помощью диска

38 и трех опорных трубок 39 закреплен статор 31 датчика перемещений, магнитопро- вод 33, первый 40 и второй 41 упругие элементы, расположенные на противоположных сторонах магнитопровода, соединительный цилиндр 42, св зывающий воедино упругие элементы 40, 41 и подвижную катушку 34, нагреватель 43, конвективно св занный со статором 31 и ротором 29 емкостного датчика перемещений, компенсационную обмотку 44, расположенную на посто нном магните 32, цанговый зажим 45 из материала с малым термическим коэффициентом , например из кварца, соедин ющий ротор 29 емкостного датчика

перемещений с передающим стержнем 46, цилиндрический экран 47 из магнитом гко- го материала с высокой магнитной проницаемостью , например пермалло , в которой помещена часть подвижной катушки 34.

Статор 31, диск 38 и опорные трубки 39 выполнены из материала с малым термическим коэффициентом расширени , например кварца.

Передающий стержень 46 закреплен на

первой базовой плоскости диска 30 с помощью цангового зажима 45, нижн   часть которого выполнена из того же материала, что и передающий стержень 46, и представл ет собой конус, составленный из трех секторов , имеющий две кольцевые проточки 48 с внутренней стороны и одну проточку 49 с наружной, в которые вложены соответственно две распирающие и одна ст гивающа  пружины. Верхн   часть цангового зажима прижата пластинчатой пружиной 50, отжимаетс  рычагом 51 с помощью эксцентрика и двух шариков (не показаны). На магнитной системе закреплен цанговый механизм 52 дл  фиксации подвижной системы .

На второй базовой плоскости 36 отсчета закреплен держатель 53 образца из материала с малым термическим коэффициентом, выполненный в виде трубки, оканчивающейс  с одной стороны фланцем, с другой - дном с плоской поверхностью дл  закладки образца 54. Над дном прорезаны два окна, в которые вставл ютс  образцы материала, окна закрываютс  градиентной трубкой 55 дл  исключени  конвективных потоков. Дно имеет проточку дл  подвода измерительной термопары 56 максимально близко к образцу .

Верхний и нижний упругие элементы 40, 41 (фиг.2 и 3) идентичны по конструкции. Упругий элемент выполнен в виде осесим- метричной трехлепестковой плоской пружины , оси лепестков которой расположены под углом 120° одна относительно другой. Каждый лепесток снабжен двум  прорез ми параллельно оси симметрии лепестка, а прорези каждой пары р дом расположенных лепестков соединены между собой прорез ми , расположенными на равном рассто нии от центра симметрии упругого элемента и отдел ющими статор от ротора. Ширина внутренней части лепестка равна сумме двух наружных, а концы лепестков выполнены загнутыми под углом 90° относительно плоскости пружины так, что обра- зованы шесть плоских пружин, плоскости которых перпендикул рны плоскости лепестков .

Устройство работает следующим образом .

В зависимости от режима испытаний контур, образованный датчиком 1.4 перемещений преобразовател  1 перемещений, усилителем 11, блоком 19 вычитани , ключом 20, первым усилителем 21, сумматором 8, генератором 9 тока, магнитоэлектрическим за датчиком 1.1 осевых сил преобразовател  1 перемещений может быть замкнут или разомкнут с помощью ключа 20, управл емого микроЭВМ 4.

Замкнутый след щий контур, составленный из блоков, при нулевом сигнале, формируемой по программе генератором 10 функций и поступающим на блок 19 вычитани , обеспечивает взвешивание ротора 29 емкостного датчика 1.4 в электрическое симметричное состо ние относительно статора 31. В этом положении ротора 29 передающий усилие на образец 54 передающий стержень 46 опускаетс  до контакта с образцом и закрепл етс  цанговым зажимом 45. Помимо начальной установки подвижной системы замкнутым управл ющим контуром обеспечиваютс  режимы испытаний образца материала при заданных скорост х и (или) деформаци х. Закон измерени  скорости деформаций обеспечиваетс  генератором 10 функций по программе от микроЭВМ 4.

При режимах испытаний образца материала , когда задаетс  закон изменени  осевой деформации во времени, а регистрируетс  деформаци , замкнутый управл ющий KOHTVD размыкаетс  по сигналу с микроЭВМ 4 ключом 20 (фиг.1). При этом программируемый режим осевых усилий формируетс  генератором 10 функций, сигнал с которого поступает на сумматор 8. Регистраци  деформаций обеспечиваетс  разомкнутым контуром, составленным из управл емого через четвертый регистр 26 усилител  12 с переменным программируемым масштабом, блока 13 вычитани , подключенного к интерфейсной шине 5 через второй регистр 14 и первый ЦАП 15, усилител  17 с программируемым через третий регистр 16 коэффициентом усилени  и первого АЦП 18.

Масштаб усилител  12 может измер тьс  в 102 раз, обеспечива  оптимальные измерени  при нормированных выходных напр жени х от 1 мкм до 1 мм на шкалу. Зычитатель 13 обеспечивает смещение шкал деформации (их расширение в процес- се испытаний до 10 раз) от 1 до 100 мкм.

Управл емый через первый регистр 6 от микроЭВМ 4 источник 7 напр жени , подключенный к сумматору 8 обеспечивает взвешивание подвижной системы с точностью до 10 ч веса ее. Обеспечиваетс  така  точность дополнительным прецизионным источником посто нного напр жени , обеспечивающим предварительную компенсацию не менее 95% веса

Термостатирование и программное изменение термокриокамеры обеспечиваетс  аналоговой замкнутой след щей системой, состо щей из последовательно соединенных первого термодатчика 2.1 (платинового терморезистора), второго усилител  22, блока 23 вычитани , подключенного через второй ЦАП 25 к интерфейсной шине 5, третьего усилител  24 и терморегул тора 2.2.

Регистраци  температуры образца обеспечиваетс  вторым термодатчиком 2.3 (термопары) через усилитель 27 термоЭДС и второй АЦП 28.

Точность по деформации обеспечиваетс  двум  базовыми плоскост ми отсчета, на которые опираютс  измерительные элементы , изготовленные из однородного материала с малым термическим коэффициентом, например из кварца. Перва  базова  плоскость отсчета выполнена на диске 30 ротора 29 (фиг.2) емкостного датчика 1,4 перемещений. На первой базовой плоскости отсчета закрепл етс  передающий усилие на образец 54 передающий стержень 46. Ротор 29, цанговый зажим 45 и передающий стержень 46 выполнены из однородного материала с малым коэффициентом расширени , например из плавленного кварца.

Подвижна  катушка 34, первый 40 и второй 41 упругие элементы, соединительный цилиндр 42, ротор 29, цанговый зажим 45 с пластинчатой пружиной 50 и передающий стержень 46 образуют единую подвижную систему, деформации частей которых за счет наличи  первой базовой плоскости отсчета не вли ют на погрешность измерени  деформации.

На плите 35 выполнена втора  базова  плоскость 36 отсчета, на которой закрепл ютс  съемный держатель 53 образца и статор 31 датчика 1.4 перемещений через диск 38 и три опорные трубки 39. Держатель 53 образца, статор 31 датчика 1.4 перемещений , диск и три опорные трубки выполнены из того же материала, что и передающий стержень 46.

Такое выполнение сводит к минимуму погрешность до деформации от температуры . Дл  усилени  этого эффекта плита 35 термостатируетс  через теплообменник 37 с проточной водой. Теплообменник 37 имеет , например, тороидальную форму.

На показани  конденсаторного датчика 1 1.4 перемещений может вли ть при большой влажности воздуха адсорбци  паров воды на поверхност х ротора 29 и внутрен- 1 нем статоре 311 (по вление тонкого сло  воды - частичное запотевание). Дл  исключени  этого эффекта, привод щего к увеличению погрешности измерени  деформации , указанные ответственные поверхности обтекает нагретый до 70° С нагревателем 43 воздух.

Силовое нагружение испытуемого образца 54 материала проводитс  магнитоэлектрическим задатчиком осевых сил. При

этом сила нагружени  зависит от положени  подвижной катушки 34 (фиг,2) и от изменени  температуры окружающей среды. Дл  исключени  вли ни  краевых эффектов

(искажени  магнитного пол  на кра х зазора ) катушка выполнена длиннее,чем длина зазора, часть катушки помещена в экране из материала с высокой магнитной проницаемостью , например пермало . Независимо от

0 положени  катушки магнитный поток пересекает всегда одно и то же количество витков - этим обеспечиваетс  стабильность заданной нагрузки на образец. Дл  исключени  вли ни  темпера гуры на стабиль5 ность нагружени  на посто нный магнит 32 намотана медна  компенсационна  обмотка 44, включенна  в цепь обратной св зи генератора 9 тока, величина тока которого однозначно определ ет осевую силу нагру0 жени  образца 54.

Упругие элементы 40 и 41 идентичны между собой, один из них изображен на фиг.З. Они служат направл ющими дл  установки заданного стержн  46 относительно

5 образца. Так как при движении задающего стержн  46 вверх-вниз упругие элементы деформируютс  и их упруга  сила прогиба алгебраически суммируетс  с заданной силой нагружени , то упругие направл ющие

0 должны обладать минимальной силой прогиба в осевом направлении, максимальной - в радиальном, малым термическим коэффициентом и быть изготовлены из немагнитного материала. Эта задача решена формой

5 пружины, котора  изготовлена так, что между ротором и статором находитс  перпендикул рно ос м симметрии щелевидный зазор с размером не более 1 мм, т.е. рассто ние между точками креплени  ротора и статора

0 минимально. М гкость в осевом направлении и жесткость в радиальном определ ютс  соотношением толщины и ширины лепестка элемента.

Claims (6)

1. Формула изобретени 

   5 1. Устройство дл  измерени  линейных размеров образцов материалов, содержащее преобразователь перемещений в виде задатчика осевых сил, датчика перемещений , упругого элемента, соединенного с ним

   0 передающего стержн , кинематически св занного с задатчиком осевых сил и датчиком перемещений, термокамеру с термодатчиком и терморегул тором, регистратор, отличающеес  тем, что, с целью расши5 рени  функциональных возможностей, повышени  точности и быстродействи , оно снабжено микроЭВМ с интерфейсной шиной , последовательно соединенными первым регистром, вход которого подключен к интерфейсной шине, управл емым источником напр жени , сумматором и генератором тока, выход которого соединен с входом задатчика осевых сил преобразовател  перемещений , генератором функций,вход которого подключен к интерфейсной шине, 5 , первый выход - к второму входу сумматора, - последовательно соединенными предварительным усилителем, вход которого подключен к выходу датчика перемещений, первым управл ющим усилителем и первым блоком 10 вычитани , последовательно соединенными вторым регистром, вход которого подключен к интерфейсной шине, и первым цифроаналоговым преобразователем (ЦАП), выход которого подключен к второму входу 15 первого блока вычитани , третьим регистром , вход которого подключен к интерфейсной шине, вторым управл емым усилителем, управл ющий вход которого соединен с выходом третьего регистра, сиг- 20 нальный - с выходом первого блока вычитани , первым аналого-цифровым преобразователем (АЦП), вход которого подключен к выходу второго управл емого усилител , выход - к интерфейсной шине, 25 вторым блоком вычитани , первый вход которого подключен к выходу предваритель- ного усилител , второй - к второму выходу генератора функций, ключом, сигнальный вход которого соединен с выходом второго 30 блока вычитани , управл ющий вход - с интерфейсной шиной, первым усилителем, включенным между выходом ключа и треть- и им входом сумматора, вторым усилителем,

   вход которого подключен к выходу первого 35 термодатчика термокриокамеры, последовательно соединенными вторым ЦАП, вход которого подключен к интерфейсной шине, третьим блоком вычитани , второй вход которого подключен к выходу второго усилите- 40 л , и третьим усилителем, выход которого подключен к входу терморегул тора термокриокамеры , четвертым регистром, вход которого подключен к интерфейсной шине, выход - к управл ющему входу первого уп- 45 равл емого усилител , последовательно соединенными усилителем термоЭДС и вторым АЦП, выход которого соединен с интерфейсной шиной, термокамера снабжена вторым термодатчиком, выход которо- 50 го соединен с входом усилител  термоЭДС, а регистратор подключен к интерфейсной шине микроЭВМ.
2. 2. Устройство по п.1,отличающее- 55 с   тем, что датчик перемещений преобразовател  перемещений выполнен в виде емкостного датчика, состо щего из ротора, на

   котором закреплен диск с первой базовой плоскостью отсчета, и статора, задатчик осевых сил выполнен в виде магнитоэлектрической системы, состо щей из посто нного магнита и подвижной катушки, а преобразователь перемещений снабжен плитой с второй базовой плоскостью отсчета и теплообменником, на которой расположены посто нный магнит задатчика осевых сил и статор датчика перемещении, вторым упругим элементом, расположенным по другую сторону посто нного магнита по отношению к первому упругому элементу, соединительным цилиндром, св зывающим передающий стержень с первым и вторым упругими элементами, на котором размещена подвижна  катушка задатчика осевых сил, нагревателем, конвективно св занным с датчиком перемещений, компенсационной обмоткой, расположенной на посто нном магните, и цанговым зажимом, выполненным из материала с малым термическим коэффициентом, соедин ющим ротор емкостного датчика с передающим стержнем.
3. 3.Устройство по п.2, отличающее- с   тем, что часть подвижной катушки задатчика осевых сил помещена в цилиндрический экран из магнитом гкого материала с высокой магнитной проницаемостью.
4. 4.Устройство по п.2, отличающее- с   тем, что нижн   часть цангового зажима выполнена в виде усеченного конуса, составленного из трех секторов, имеющего две кольцевые проточки с внутренней сто-, роны и одну проточку с наружной, в которой расположены две распирающие и одна ст гивающа  пружины, а основание конуса расположено на первой базовой плоскости отсчета.
5. 5.Устройство по п.2, отличающее- с   тем. что упругий элемент выполнен в виде осесимметричной трехлепестковой плоской пружины, оси симметрии лепестков которой расположены под углом 120° одна

   к другой, каждый лепесток снабжен двум  широкими пазами параллельно оси симмет- рии лепестка, а пазы каждой пары р дом расположенных лепестков соединены между собой прорез ми, расположенными на равном рассто нии от центра симметрии упругого элемента.
6. 6.Устройство по п.5, отличающее- с  ( тем, что ширина внутренней части лепестка , ограниченна  пазами, равна сумме двух наружных, а концы лепестков выполнены загнутыми под углом 90° относительно плоскости пружины.

   /tf

   56

   Фиг. 2

   А-А

   Фм.З