close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY9990

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2007.12.30
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
G 01L 1/12
G 01L 1/00
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ СИЛЫ,
ПРИЛОЖЕННОЙ К ЭЛЕМЕНТУ, ОБЛАДАЮЩЕМУ
МАГНИТОУПРУГИМ ЭФФЕКТОМ
(21) Номер заявки: a 20050727
(22) 2005.07.18
(43) 2007.04.30
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Объединенный институт машиностроения Национальной
академии наук Беларуси" (BY)
(72) Автор: Матюкевич Николай Адамович (BY)
BY 9990 C1 2007.12.30
BY (11) 9990
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Объединенный
институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(56) SU 1138671 A, 1985.
RU 2189020 C1, 2002.
RU 2115899 C1, 1998.
SU 1384969 A1, 1988.
KZ 14834 A, 2004.
WO 79/00369 A1.
US 3980947A, 1976.
(57)
Способ измерения механической силы, приложенной к элементу, обладающему магнитоупругим эффектом, включающий намагничивание поверхности контролируемого
участка элемента переменным магнитным полем и регистрацию ЭДС вихревых токов, отличающийся тем, что дополнительно пропускают зондирующий переменный электрический ток в контролируемом участке между двумя разнесенными точками элемента под
углом 45° к направлению действия силы, в средней части участка регистрируют контактные ЭДС вихревых токов в направлениях вдоль и перпендикулярно действию приложенной силы, а магнитное поле создают знакопеременным с плавно убывающей до нуля
амплитудой и частотой, меньшей частоты зондирующего тока, которое ориентируют
перпендикулярно поверхности элемента в средней части контролируемого участка, и определяют разность двух контактных ЭДС вихревых токов с частотой зондирующего тока,
пропорциональную приложенной к элементу механической силе.
BY 9990 C1 2007.12.30
Изобретение относится к силоизмерительной технике и может быть использовано для
измерения механических усилий, приложенных к упругому элементу, а также для измерения механических напряжений в ферромагнитных изделиях и металлоконструкциях.
Известен способ измерения механической силы, приложенной к упругому элементу,
заключающийся в наклейке на упругий элемент омических или полупроводниковых тензодатчиков, включенных в мостовую схему (Пригоровский Н.И. Экспериментальные методы исследования напряжений. - М.: Машиностроение, 1970. - С. 9). О величине механической силы судят по величине разбаланса моста. Недостаток способа заключается в его
недостаточной надежности из-за отклеивания тензодатчика с течением времени, что обуславливается различием в коэффициентах температурного расширения материала упругого элемента и тензодатчика.
Известен магнитоупругий способ измерения механической силы, в котором чувствительный элемент совмещен с упругим (Шевченко Г.И. Магнитоанизотропные датчики. М.: Энергия, 1967. - С. 15). Способ основан на регистрации в упругом элементе изменения
характера магнитной анизотропии, вызванной приложением к нему механической силы.
Преобразователи, реализующие данный способ, содержат упругий элемент, набранный из
листов трансформаторной стали с сквозными отверстиями, с помощью которых наматываются две взаимно перпендикулярные обмотки, охватывающие упругий элемент. Недостатком данного способа является необходимость подведения к преобразователям, реализующим указанный способ, из-за перемагничивания всего объема преобразователя,
большой электрической мощности.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому (а.с. СССР 1138671,
МПК G 01L 1/12, 1985) является магнитоупругий способ измерения механической силы,
заключающийся в том, что контролируемый участок поверхности упругого элемента намагничивается переменным магнитным полем и регистрируется контактная ЭДС вихревых токов в направлении намагничивающего поля.
Способ основан на том явлении, что в упругом элементе, свободном от прилагаемых
усилий, магнитная анизотропия отсутствует и контактная ЭДС равна нулю, т.к. магнитные
силовые линии проходят по изделию не искривляясь, и плоскость вихревых токов, которая всегда ориентирована строго перпендикулярно направлению распространения магнитного потока, оказывается перпендикулярной направлению магнитного поля.
С возникновением магнитной анизотропии при приложении к упругому элементу механической силы магнитный поток в элементе отклоняется от направления магнитного
поля на некоторый угол, пропорциональный величине магнитной анизотропии. При этом
плоскость вихревых токов, оставаясь перпендикулярной направлению магнитного потока,
также отклоняется на тот же угол и возникает контактная ЭДС, пропорциональная величине силы, приложенной к упругому элементу.
Данный способ благодаря тому, что не требуется перемагничивать весь объем упругого элемента, а только некоторую часть его поверхности, существенно уменьшить требуемую мощность для обеспечения работоспособности преобразователей, реализующий данный способ и позволил увеличить точность измерения силы. Однако из-за наличия
магнитоупругого гистерезиса (МУГа) все еще требуется перемагничивать контролируемый участок элемента с амплитудой магнитного поля, близкой к насыщению, что не всегда возможно, особенно при реализации способа для измерения силы в мобильных устройствах. Кроме того, точность измерения напряжений в металлоконструкциях снижает
возможное наличие блуждающих токов.
Задачей изобретения является расширение области возможного применения магнитоупругого способа измерения силы за счет существенного уменьшения требуемой электрической мощности для реализации способа, повышения точности измерения механической
силы и упрощения технологии его реализации.
2
BY 9990 C1 2007.12.30
Задача достигается тем, что, согласно техническому решению, в способе дополнительно между двумя выбранными разнесенными точками элемента пропускают зондирующий переменный электрический ток под углом 45° к направлению действия силы,
причем в средней части контролируемого участка элемента с током, т.е. участка, по которому пропускают зондирующий ток, регистрируют две контактные ЭДС вихревых токов в
направлениях вдоль и перпендикулярно действию силы с частотой зондирующего тока, по
разности которых судят о величине механической силы. А магнитное переменное поле
создают периодическим и знакопеременным с плавно убывающей до нуля амплитудой и с
частотой несколько меньшей, чем частота зондирующего тока, причем ориентируют его
также в средней части участка элемента с током и перпендикулярно поверхности элемента.
На чертеже изображена электрическая схема, реализующая предлагаемый способ.
На поверхности упругого элемента 1, к которому приложена механическая сила F растяжения или сжатия, симметрично относительно образующей элемента, выбирают две
разнесенные точки 2 и 3, таким образом, чтобы линия, их соединяющая, оказалась под углом 45° относительно этой образующей. В данных точках 2 и 3 к поверхности элемента 1
крепятся два электрических контакта, которые соединяются с источником 4 переменного
тока.
В средней части выбранного участка с током, аналогично контактам 2 и 3, крепятся
контакты 5 и 6 - вдоль образующей элемента 1 и контакты 7 и 8 - перпендикулярно ей. Все
контакты 5-6 и 7-8 попарно соединяют с дифференциальным усилителем 9. Также в средней части участка с током, симметрично относительно контактов 5-6 и 7-8, располагают
намагничивающую катушку 10, которую ориентируют перпендикулярно упругому элементу 1 и соединяют с источником переменного тока 11. Последний вырабатывает периодически знакопеременные импульсы тока с плавно убывающей до нуля амплитудой. Частоту синусоидальных импульсов тока выбирают меньшей, чем выбранная частота зондирующего тока, создаваемаемая источником 4.
В отсутствии приложения к элементу 1 силы F, при протекании через контролируемый участок элемента 1 между контактами 2-3 зондирующего тока, вектор магнитной индукции в участке будет направлен перпендикулярно этому направлению, и, следовательно, вызываемая им ЭДС вихревых токов, которая также перпендикулярна вектору
магнитной индукции, будет лежать в плоскости, совпадающей с направлением зондирующего тока. В результате в контактных парах 5-6 и 7-8 будут регистрироваться равные
по амплитуде и совпадающие по фазе сигналы, и, следовательно, на выходе дифференциального усилителя 9 результирующий сигнал окажется равным нулю.
При приложении к упругому элементу 1 растягивающей силы F в нем возникнет магнитная анизотропия, и в следствии того, что вектор индукции повернется в направлении
растягивающих напряжений на угол, пропорциональный величине растягивающей силы,
величина контактной ЭДС вихревых токов в контактной паре 5-6 увеличится, а в контактной паре 7-8 - уменьшится. (При приложении к элементу 1 сжимающей силы эти изменения произойдут в обратном порядке). Таким образом на выходе дифференциального усилителя 9 возникнет сигнал, величина и знак которого определяются величиной и знаком
механической силы, приложенной к элементу 1.
Однако точность измерения силы из-за наличия МУГа оказывается очень низкой. Для
устранения его влияния служит вспомогательное магнитное поле, создаваемое катушкой
10. Благодаря тому, что это поле создается знакопеременным и периодическим, причем с
плавно убывающей до нуля амплитудой, с тем же периодом осуществляется стабилизация
магнитного состояния контролируемого участка элемента 1. Кроме того, из-за того, что
частота вспомогательного магнитного поля выбрана несколько меньшей, чем частота зондирующего тока, заведомо обеспечивается магнитная стабилизация контролируемого участка на глубине большей, чем глубина проникновения магнитного поля, создаваемого
зондирующим током. Следует отметить, что так как амплитуда магнитного поля, созда3
BY 9990 C1 2007.12.30
ваемого зондирующим током, невелика, следовательно, и величина вспомогательного магнитного поля оказывается небольшой для полного устранения МУГа, а значит и величина
суммарной требуемой подводимой мощности к устройству, реализующему предлагаемый
способ измерения силы, оказывается небольшой и сравнимой с требуемой мощностью при
использовании омических тензодатчиков.
Экспериментальная проверка предлагаемого способа проводилась на образцах из ст.
45 и ст. 40ХН на испытательной машине на растяжение-сжатие УММ-5. Размеры и форма
образцов были выбраны в соответствии с ГОСТ 1497-84. Контакты 2-3 и 5-8 выполнялись
из ст. 45, которые механически прижимались к поверхности исследуемых образцов. Источником переменного тока 4 служил серийно изготавливаемый генератор сигналов ГЗ33. Дифференциальный усилитель 9 был изготовлен на базе трех интегральных операционных усилителей 140УД26. Намагничивающая катушка 10 была размещена в полуброневом сердечнике изготовленном из ст. 08 кп, который располагался с зазором 0,5 мм относительно поверхности контролируемого образца. Источник переменного тока 11 включал
в себя автогенератор с мостом Вина и соединенный с усилителем мощности, с возможностью изменения коэффициента усиления которого в пределах 60 ÷ 0.
В таблице приведены для образцов из ст. 40ХН сравнительные данные значений требуемой подводимой мощности (ва) для обеспечения заданной величины МУГа при использовании известного способа по а.с. № 1138671 и предлагаемого.
Заданная величина МУГа, %
1,5
1,0
0,5
Требуемая мощность (ва) для обесЗаданная величина
печения заданной величины МУГа
3,3
5,7
МУГа не достигается
по а.с. № 1138671
Требуемая суммарная мощность (ва)
для обеспечения заданной величины
0,18
0,21
0,27
МУГа предлагаемым способом
Как видно из экспериментальных данных, требуемая суммарная мощность (ва) для
обеспечения заданной величины МУГа предлагаемым способом действительно существенно ниже, чем при реализации известного способа. Причем, при реализации известного
способа, уменьшить величину МУГа ниже 0,5 % вообще не удалось из-за перегрева намагничивающей катушки.
Следует отметить, что благодаря дифференциальному включению и симметрии расположения контактных пар 5-6 и 7-8 относительно распространения зондирующего тока и
поля намагничивающей катушки 10 практически полностью устраняется влияние блуждающих токов и различного рода случайных электрических помех, в силу чего существенно повышается точность измерения напряжений в металлоконструкциях.
Таким образом, при реализации предлагаемого способа измерения усилий, благодаря
существенному уменьшению требуемой подводимой мощности для обеспечения работоспособности способа измерения механической силы, повышению точности измерения и
технологической несложности реализации способа, появляется возможность существенного расширения области применения магнитоупругих преобразователей механической
силы как наиболее надежных из известных.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
4
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
98 Кб
Теги
патент, by9990
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа