Способ измерения механических силовых воздействий между материальными объектами и устройства для его осуществления - RU2101685C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в виде платформенного, подвесного и выполненного из независимых измерительных блоков устройств для осуществления способа измерения механических силовых воздействий между материальными объектами.

Известен способ измерения механических силовых воздействий между материальными объектами, включающий в себя приведение в механический контакт взаимодействующих объектов и измерительных блоков и измерение веса, воздействующего на измерительный блок объекта [1]
Известен способ измерения механических силовых воздействий между материальными объектами, включающий в себя приведение в механический контакт взаимодействующих объектов и измерительных блоков, измерение электромеханических параметров, определяемых величиной силового воздействия, обработку этих параметров и получение на основе этой обработки величин, характеризующих измеряемое воздействие [2] прототип.

Известны весы, содержащие установленную на регулируемых опорах платформу с размещенными на ней средствами измерения веса установленных на платформе объектов [1]
Известны напольные весы, содержащие установленную на регулируемых опорах платформу с размещенными на ней средствами измерения веса установленных на платформе объектов [1]
Известны напольные весы, содержащие установленную на регулируемых опорах нижнюю платформу с размещенными на ней блоками преобразования силовых воздействий, и верхнюю платформу, установленную на верхних частях блоков [2] -прототип.

Известно устройство для осуществления способа измерения механических силовых воздействий между материальными объектами, содержащее корпус, соединенный через опорные элементы с измерительными блоками, установленными на основаниях [2] прототип.

Известно устройство для осуществления способа измерения механических силовых воздействий между материальными объектами, содержащее измерительную систему, расположенную на основании и соединенную через силопередающий узел с опорным узлом [2] прототип.

Недостатком известных способов и устройств для их осуществления является сравнительно большое значение абсолютной погрешности измерения максимальных значений механических силовых воздействий из-за неоптимальных условий их реализации.

Достигаемым техническим результатом в соответствии с заявленными объектами является снижение абсолютной погрешности измерения максимальных значений механических силовых воздействий.

Совокупность существенных признаков, достаточную для достижения указанного технического результата, обеспечивают в заявленном способе измерения механических силовых воздействий между материальными объектами, включающем в себя приведение в механический контакт взаимодействующих объектов и измерительных блоков, измерение электромеханических параметров, определяемых величиной силового воздействия, передачу информации между измерительными блоками и микропроцессорным блоком, обработку электромеханических параметров и получение на основе этой обработки величин, характеризующих измеряемое воздействие, тем, что располагают n₁ измерительных блоков между произвольно расположенными в пространстве материальными объектами, где n₁ выбирают в пределах: 1 ≤n₁ ≤ 10³ по линиям их силового взаимодействия таким образом, что угол α между векторами силового воздействия материальных объектов и осями оптимального измерительного воздействия на блок выбирают в пределах 0^o ≤ a ≤ 89^o. Часть n₁ датчиков, где n₂ выбирают из условия:

устанавливают для измерения нормальных, т.е. направленных вдоль линии действия измеряемой силы, составляющих силовых воздействий, а часть n₃, где n₃ выбрано в пределах:

для измерения тангенциальных, т.е. направленных перпендикулярно линии действия измеряемой силы, составляющих силовых воздействий P и нормальной P составляющими измеряемого силового воздействия:

Часть n₄ измерительных блоков, выбираемая в пределах и/или n₅ дополнительных измерительных блоков, выбираемых из условия: , используют в качестве эталонных для калибровки нормальных и тангенциальных составляющих измеряемых силовых воздействий. В качестве измеряемого электромеханического параметра, связанного с силовым механическим воздействием, выбирают преимущественно изменение ΔC_i емкости конденсатора C_io, выполненного в виде группы мембран, образующих датчик каждого измерительного блока, в зависимости от величины силового воздействия P_i. Преобразуют параметр в соответствующий ему электрический параметр частоту f_i, связанную с ним соотношением:

Используя электрическую кабельную линию, либо канал радиосвязи, либо волоконнооптическую линию, либо инфракрасную, либо ультрафиолетовую технику, передают полученную информацию об электромеханических параметрах от измерительных блоков в микропроцессорный блок управления и обработки информации.

Преобразуют совокупность частот f_i с использованием зависимости f_i K_if_iэт, а искомое значение P_i определяют на основании зависимости:

где 10^-3 ≤A_i ≤ 10³, , -10 ≤ a_3ij≤10, выбираемые в зависимости от материала мембран, их конструктивных параметров и диапазона рабочих нагрузок, часто в виде:
P_i= A_i+B_i1f_i+B₁₂f.
Совокупность существенных признаков, достаточная для достижения указанного технического результата, обеспечена также с помощью платформенного устройства для осуществления способа, содержащего установленную на регулируемых опорах платформу-основание с размещенными на ней блоками измерения силовых воздействий, и силовоспринимающую платформу, установленную на верхних частях этих блоков, тем, что отношение длины l₁ регулируемой части опор к расстоянию l₂ между консольно удаленными точками грузоприемной платформы выбрано из условия: 0,01 ≤ l₁/l₂≤ 0,5. Минимальное расстояние l₃ между точками нагружения датчиков и максимальная величина l₄ этого расстояния взаимосвязаны соотношением: 0,1 ≤ l₃/l₄ ≤ 1, отношение величины l₄ к величине l₂ выбрано из условия: 0,5 ≤ l₄/l₂ ≤1. Датчики блоков измерения выполнены в виде двух силовоспринимающих мембран, переменная толщина которых d по поверхности каждой мембраны выбрана в зависимости от ее максимального поперечного размера l₅ из условия: 10^-6 ≤ d/l₅ ≤10². При этом отношение минимального расстояния l₆ между мембранами выбрано по отношению к максимальному поперечному размеру l₅ мембраны из условия: 10^-4≤ l₆/l₅ ≤ 0,8. Минимальные S_1i и максимальные S_2i значения площадей обкладок каждого измерительного конденсатора, которые (все либо часть из них) жестко скреплены с силовоспринимающими мембранами, выбраны из условия: 0,1 ≤ S_1i/S_2i≤ 1.

Совокупность существенных признаков, достаточная для достижения указанного технического результата, обеспечена также с помощью устройства для осуществления способа измерения механических силовых воздействий между материальными объектами, содержащего корпус, соединенный через опорные элементы и силопередающие узлы с измерительными блоками, установленными на основаниях, тем, что корпус выполнен в виде емкости произвольной формы с минимальным размером l₇, взаимосвязанным с его максимальным размером l₈ соотношением: 1 ≤ (l₇ + l₈)/l₈ ≤ 2. Емкость выполнена с n₆ загрузочными и n₇ разгрузочными отверстиями, причем n₆ и n₇ выбраны из условий: 1 ≤ n₆ ≤ 10², 1 ≤ n₇ ≤ 10². При этом суммарные площади S₃ загрузочных и S₄ разгрузочных отверстий выбраны по отношению к площади S₅ внутренней поверхности корпуса соответственно в пределах: 10^-4 ≤ S₃/S₅ ≤1; 10^-4 ≤ S₄/S₅≤ 1, и все отверстия выполнены с крышками и/или без них.

На наружной поверхности корпуса установлены n₈ опорных элементов произвольной формы, причем 1≤ n ≤ 10². Опорные элементы через силопередающие узлы соединены с измерительными блоками таким образом, что точки приложения результирующего силового воздействия на измерительные блоки расположены относительно центра массы незагруженного корпуса на расстояниях l_10i, где I≤ i ≤ n₃, выбранных по отношению к l₈ из условия: 10^-3 ≤ l_10i/l₈ ≤ 6. Основания выполнены регулируемыми для обеспечения углов γ_i, где I≤ i ≤ n₈ между результирующей внешнего силового воздействия и осями оптимального силового воздействия каждого из измерительных блоков, выбираемых из условия: 0^°≤ γ_i≤ 30^°.

Совокупность существенных признаков, достаточная для достижения указанного технического результата, обеспечена также с помощью устройства для осуществления указанного способа, содержащего корпус, соединенный через опорные элементы и силопередающие узлы с измерительными блоками, опорные элементы выполнены в виде кронштейнов, установленных под углом β, выбранным из условия 0^°≤ β ≤ 170^° относительно внешней поверхности емкости, максимальные размеры l_9i кронштейнов, где 1≤ i ≤ n₈, относительно максимального размера l₈ емкости выбраны из условия: 10^-5 ≤ l_9i/l₈ ≤5.

Совокупность существенных признаков, достаточная для достижения указанного технического результата, обеспечена также с помощью устройства для осуществления заявленного способа, содержащего корпус, соединенный через силопередающие узлы и опорные элементы с измерительными блоками, силопередающие узлы выполнены в виде шарниров и/или подпятников.

Совокупность существенных признаков, достаточная для достижения указанного технического результата, обеспечена также с помощью подвесного устройства для осуществления способа измерения механических силовых воздействий, содержащего измерительные блоки, расположенные на основании и соединенные через силопередающий узел с опорным узлом, основание и опорный узел выполнены каждый в виде консоли, консоль опорного узла выполнена по крайней мере из двух узлов узла приложения внешнего воздействия и узла передачи силового воздействия, силопередающий узел установлен на узле передачи силового воздействия и соединен с измерительными блоками. При этом расстояние l₁₄ между точками приложения силовых воздействий к каждому измерительному блоку по отношению к расстоянию l₁₅ между точками приложения результирующих силовых векторов внешних силовых воздействий к консолям основания и опорного узла выбрано из условия: 10^-2 ≤ l₁₄/l₁₅ ≤ 1, а угол δ между осью оптимального силового воздействия на каждый измерительный блок и направлением результирующего вектора внешнего воздействия выбран в пределах: 0^° ≤ δ ≤ 10^°. Расстояние l₁₆ между точкой приложения результирующего вектора внешнего силового воздействия к основанию и точками передачи силового воздействия от основания к измерительным блокам и расстояние l₁₇ между точкой приложения результирующего вектора внешнего силового воздействия к опорному узлу и точками передачи силового воздействия опорным узлом к измерительным блокам системы выбраны из условия: 0,1 ≤ l₁₆/l₁₇ ≤ 10.

Совокупность существенных признаков, достаточная для достижения указанного технического результата, обеспечена также с помощью подвесного устройства, в котором консоль основания выполнена в виде скобы, отношение минимального l₁₁ к максимальному l₁₂ ее размеров выбрано из условия: 0,1 ≤ l₁₁/l₁₂ ≤ 1, а также с помощью подвесного устройства, в котором консоль опорного узла выполнена скобообразной формы с отношением максимального ее размера l₁₃ к максимальному размеру l₁₂ скобы основания, выбранным из условия: 0,2 ≤ l₁₃/l₁₂ ≤ 5.

На фиг. 1 изображена конструкция платформенного устройства; на фиг.2 - конструкция измерительного узла; на фиг.3 конструкция выполнения бесплатформенного устройства; на фиг.4 конструкция подвесного устройства.

Нецелесообразно детально останавливаться на известных из опубликованных источников особенностях заявленных объектов, в частности для способа на описании особенностей приведения в механический контакт взаимодействующих объектов и измерительных блоков до возникновения между ними механических силовых воздействий, измерения электромеханических параметров, определяемых величиной силового воздействия, передачи информации об электромеханических параметрах в микропроцессорный блок, обработки этих параметров и получения на основе этой обработки величин, характеризующих измеряемое воздействие.

Целесообразно детально описать отличительные существенные признаки способа, заключающиеся в том, что располагают n₁ измерительных блоков и/или измерительных датчиков между произвольно расположенными в пространстве материальными объектами, где n₁ выбирают из условия: 1≤n₁≤ 10³ по линиям их силового взаимодействия таким обpазом, что угол α между вектоpами силового воздействия материальных объектов и осями оптимального измерительного воздействия на блок выбирают из условия 0^°≤ α ≤ 89^°.

Это охватывает также случай осуществления способа с помощью напольных весов для измерения веса трудно поднимаемых человеком объектов, а также других видов весов. Предложенный способ может быть также использован при создании различного типа динамометрических устройств.

Часть n₂ датчиков в общем случае реализации способа, где n₂ удовлетворяет условию: 1≤ (n₁ + n₂)/n₁ ≤2, устанавливают для измерения нормальных, т. е. направленных вдоль линии действия измеряемой силы, составляющих силовых воздействий, а часть n₃, где n₃ по отношению к n₁ удовлетворяет условию:

.

устанавливают для измерения тангенциальных, т.е. перпендикулярных направлению измеряемой силы составляющих силовых воздействий. При этом обеспечивают соотношение между измеряемыми тангенциальной P и нормальной P составляющими измеряемого силового воздействия:

.

Часть n₄ измерительных блоков, удовлетворяющая условию:

,
и/или n₅ дополнительных измерительных блоков, причем n₅ удовлетворяет условию:
.

используют в качестве эталонных для калибровки нормальных и тангенциальных составляющих измеряемых воздействий.

Равенство нулю количеств измерительных блоков означает, в частности, зафиксированные в приведенных математических соотношениях альтернативы вариантов возможного неиспользования этих блоков.

В качестве измеряемого электрического параметра, связанного с силовым механическим воздействием, выбирают преимущественно изменение ΔC_i емкости конденсатора C_i0 в зависимости от величины силового воздействия P_i.

Преобразуют параметр

в соответствующий ему параметр частоты f_i электрического сигнала, связанный с ним соотношением
,
где 10≤ a_2i ≤ 10⁶ Гц, 0,1 ≤ a_2i ≤10, 1≤i≤ n₁, 1 ≤ k₂≤10³, , так, что 10^-3 ≤ f_i ≤ 10⁸ Гц, в зависимости от выбора материала мембран, конструктивных особенностей, диапазона рабочих нагрузок.

Обрабатывают совокупность частот f_i и находят их взаимосвязь с f_iэт, используя зависимость f₁ F_i(f_iэт), типичный вид которой:

по которой определяют искомое значение P_i на основании зависимости

где 10^-3 ≤A_i ≤10³, -10 ≤ a_3ij ≤ 10, часто в виде P_i= A_i+B_i1f_i+B_i2f.
В качестве одного из вариантов практической реализации заявленного способа целесообразно охарактеризовать вариант выполнения платформенного устройства для измерения механических силовых воздействий, в частности веса (фиг. 1, 2), содержащего установленную на регулируемых опорах 1 платформу-основание 2 с размещенными на ней измерительными блоками 3 преобразования силовых воздействий и грузоприемную платформу 4, установленную на верхних частях датчиков 3. Длина l₁ регулируемой части опор 1 выбрана по отношению к максимальному размеру l₂ грузоприемной платформы 4 в пределах: 0,01 ≤ l₁/l₂ ≤0,5. Минимальное расстояние l₃ между точками нагружения датчиков 3 и максимальная величина l₄ этого расстояния взаимосвязаны соотношением: 0, 1≤ l₃/l₄ ≤1, а величина l₄ выбрана по отношению к l₂ в пределах: 0,5 ≤ l₄/l₂ ≤1.

Измерительныe блоки 3 выполнены преимущественно в виде двух силовоспринимающих мембран 5 (фиг.2), минимальная толщина которых d, измеренная вдоль линии оптимального измерительного воздействия на измерительный блок, выбрана в зависимости от точки ее измерения по отношению к максимальному поперечному размеру мембраны l₅ в пределах: 10^-6 ≤ /l₅ ≤ 10². При этом минимальное расстояние l₆ между мембранами по отношению к максимальному поперечному размеру l₅ мембраны удовлетворяет условию:
10^-4 ≤ 6/l₅ ≤ 0,8.

Толщина мембран d в ряде случаев может быть определена зависимостью d = A+Br^α,, где r расстояние от линии приложения механического воздействия до точки измерения значения d, а A, B, α экспериментальные константы, определяемые материалом мембран, профилем их сечения, особенностями их изготовления, диапазоном нагрузок, выбраны в пределах 0 ≤ α ≤ 10, 10^-3 ≤A≤10 [см] 0 ≤ B ≤ 10 [см^1/α]
Минимальные S_1i и максимальные S_2i значения площадей обкладок 6 измерительного конденсатора 7, всех или части из них, жестко скреплены с силовоспринимающими мембранами, выбраны из условия: 0,1 ≤S_1i/S_2i≤1.

Работает платформенное устройство в качестве напольных весов следующим образом. Платформу-основание весов располагают, как правило, горизонтально с помощью регулируемых опор, так, что усилие, передаваемое от взвешивающего объекта через верхнюю платформу на измерительные блоки, совпадает по направлению с осями оптимального измерительного воздействия на эти блоки. Выходные сигналы с измерительных блоков представляют собой последовательность импульсов, частота следованиях которых зависит от усилия, приложенного к данному датчику. Частотные сигналы с датчиков поступают в блок управления весов и являются исходными данными для начисления нагрузки на каждый датчик и полного веса объекта в соответствии с предварительно установленным для используемых датчиков алгоритмом и предварительно записанными в электронную память параметрами конкретных используемых датчиков.

Отличительными особенностями бесплатформенного варианта устройства (фиг. 3) является то, что корпус 8 выполнен в виде емкости произвольной формы с минимальным размером l₇, взаимосвязанным с его максимальным размером l₈ соотношением: 1≤(l₇ + l₈)/l₈ ≤2. Корпус изготовлен с n₆ загрузочными и n₇ разгрузочными отверстиями, причем выполнены условия: I≤ n₆ ≤10² и I≤n₇ ≤10². При этом суммарные площади S₃ загрузочных и S₄ разгрузочных отверстий выбраны по отношению к площади S₅ внутренней поверхности корпуса 8 соответственно из условий: 10^-4 ≤S₃/S₅ ≤1, 10^-4 ≤S₄/S₅≤1, и отверстия выполнены с крышками и/или без них. На наружной поверхности корпуса установлены n₈ опорных элементов 9, причем I≤ n₈≤ 10², произвольной конфигурации, преимущественно в виде кронштейнов, установленных под углом β в пределах: 0^°≤ β ≤ 170^° по отношению к внешней поверхности корпуса. Максимальные размеры кронштейнов l_9i, где I ≤i ≤ n₈, выбраны по отношению к l₈ из условия: 10^-5 ≤l_9i/l₈≤5. Кронштейны через силопередающие узлы 10, выполненные преимущественно в виде шарниров и/или подпятников, соединены с измерительными блоками 11 таким образом, что точки приложения результирующего силового воздействия на измерительные элементы расположены относительно центра масс незагруженного корпуса 12 на расстояниях l_10i, где I ≤1≤n₈, выбраны по отношению к l₈ из условия: 10^-3 ≤l_10i/l₈ ≤6. Основания 13 выполнены регулируемыми для обеспечения условия 0^°≤ γ_i≤ 30^°, I ≤ i ≤ n₈, где γ_i угол между результирующим вектором внешнего силового воздействия P_i и осью оптимального силового воздействия 14 для каждого из измерительных блоков в пределах: 0^°≤ γ_i≤ 30^°.

Отличительные признаки подвесного устройства (фиг.4) для осуществления способа измерения механических силовых воздействий заключается в том, что основание выполнено в виде консоли 15, преимущественно в виде скобы, с соотношением минимального l₁₁ и максимального l₁₂ размеров, определяемым условием: 0,1 ≤ l₁₁/l₁₂≤ 1.

Опорный узел 16 выполнен в виде консоли, преимущественно скобооразной формы, с максимальным размером l₁₃, выбранным по отношению к l₁₂ из условия: 0,2 ≤ l₁₃/l₁₂≤5, составленной по крайней мере из двух элементов: элемента 17 приложения внешнего воздействия и элемента 18 передачи силового воздействия, на котором установлен силопередащий узел, соединяющий узел, соединенный с измерительным блоком 19. При этом расстояния l₁₄ между точками приложения силовых воздействий к измерительному блоку выбрано по отношению к расстоянию l₁₅ между точками приложения внешних силовых воздействий к консолям из условия: 10^-2 ≤l₁₄/l₁₅≤I, а угол δ между осью оптимального силового воздействия на измерительный блок 20 и направлением результирующего внешнего воздействия P выбран из условия 0^°≤ δ ≤ 10^° .

Расстояния между точкой приложения внешнего силового воздействия к основанию и точкой передачи силового воздействия от основания к измерительному блоку l₁₆ и расстояния l₁₇ между точкой приложения внешнего силового воздействия к опорному узлу и точкой передачи силового воздействия опорным узлом к измерительному блоку выбраны из условия: 0,1 ≤ l₁₆/l₁₇ ≤10.

Работа описанных вариантов устройств определяется в соответствии с заявленным способом и не требует дополнительных пояснений.

Как следует из вышеизложенного, указанный технический результат достигается только при взаимосвязанном неразрывном осуществлении всех существенных признаков, отраженных в формуле изобретения. Это также дополнительно подтверждается примерами практического выполнения заявленных объектов, количественные признаки которых представлены в таблице.

При сопоставлении примеров практического выполнения заявленных технических решений и прототипа удобно использовать параметр D, характеризующий соотношение их величин абсолютных погрешностей измерения максимальных значений механических силовых воздействий, в частности веса твердых либо заключенных в жесткую оболочку объектов.

В оптимальном варианте практического выполнения заявленных объектов (см. пример 3) удалось достичь значения параметра D, равного 1,5. Верхний и нижний пределы заявленных параметров были определены (см. соответственно примеры 1 и 2) на основании статистической обработки экспериментальных данных, а также анализа и обобщения опубликованных известных данных, исходя из условия приближения параметра D к единице (D₁ 1,01; D₂ 1,01). Как следует из таблицы, любой выход за нижний (см. пример 4) и за верхний (см. пример 5) пределы заявленных параметров приводит к невозможности достижения указанного технического результата (D₄ 0,99; D₅ 0,99). Пример 6 таблицы отражает произвольный вариант выполнения предложенных объектов с нахождением параметров внутри заявленных пределов (D₆ 1,2).

Кроме указанного технического результата при практическом осуществлении заявленных объектов достигается также увеличение чувствительности взвешивания при одновременном повышении устойчивости к механическим и температурным воздействиям.

Реферат

Использование: в измерительной технике, в виде платформенного, подвесного и выполненного из независимых датчиков устройств для осуществления способа измерения механических силовых воздействий между материальными объектами, в частности веса объектов. Сущность изобретения: способ заключается в расположении и ориентации в пространстве между взаимодействующими материальными объектами измерительных блоков, преобразовании величин механического воздействия в параметры частоты электрического сигнала, передаче информации от измерительных блоков к блоку управления и ее математической обработке по заданному алгоритму. Устройства могут быть выполнены: первое - в виде установленной на регулируемых опорах платформы основания с блоками измерения и грузоприемной платформы, установленной на опорных частях блоков. Второе устройство содержит корпус в виде емкости произвольной формы, соединенной через опорные элементы и силопередающие узлы с измерительными блоками, установленными на основаниях. Третье устройство содержит измерительные блоки, расположенные на основании и соединенные через силоперадающий узел с опорным узлом. 4 с. и 5 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил.

Формула