Устройство для измерения силы натяжения гибкого протяженного изделия круглого сечения

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ НАТЯЖЕНИЯ ГИБКОГО ПРОТЯЖЕННОГО ИЗДЕЛИЯ КРУГЛОГО СЕЧЕНИЯ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Автор Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Устройство для измерения силы натяжения гибкого протяженного изделия круглого сечения, содержащее массивное немагнитное основание с вертикальной стойкой, две неподвижные направляющие опоры, закрепленные на стойке, между которыми расположен первый прижимной упор, выполненный с возможностью горизонтального перемещения и проходящий через отверстие в стойке, аналоговый преобразователь силы в электрический сигнал, затяжную гайку, выносной блок обработки информации, причем все поверхности,контактирующие с изделием, профилированы под его диаметр, отличающееся тем, что содержит второй прижимной упор, идентичный первому и скрепленный с ним передней и 17294 1 2013.06.30 задней планками, расположенными соответственно по обе стороны стойки, причем все упоры и опоры снабжены роликами, выполненными с возможностью контактирования с поверхностью изделия, затяжная гайка размещена на штоке с резьбой, который скреплен с задней планкой и выполнен с возможностью горизонтального перемещения аналоговый преобразователь силы в электрический сигнал содержит крестообразный пружинный шарнир с вертикальной планкой, выполненной с отверстием для прохождения штока, контактирующей с затяжной гайкой через металлическую прокладку, первый датчик Холла,размещенный на свободном конце планки шарнира, и два неподвижных постоянных миниатюрных идентичных магнита, установленные с зазором на массивном основании по обе стороны от этого датчика в непосредственной близости от него, ориентированные одноименными полюсами навстречу друг другу аналоговый преобразователь горизонтального положения прижимных упоров в электрический сигнал, содержащий второй датчик Холла, закрепленный неподвижно на вертикальной стойке, два постоянных миниатюрных магнита, размещенные на штоке с зазором по обе стороны от второго датчика в непосредственной близости от него, ориентированные одноименными полюсами навстречу друг другу вертикальная стойка снабжена горизонтальной пластиной с установленным на ней механизмом калибровки аналогового преобразователя силы, выполненного в виде ролика на подставке и невесомой нити с набором калибрующих грузов. Заявляемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения силы натяжения протяженного гибкого изделия, например проволоки, троса, веревки, и др. как в статике, так и при движении. Из уровня техники известно устройство для измерения силы натяжения нити 1,функционирующее на эффекте Холла. Оно содержит корпус, имеющий входное и выходное отверстия для пропускания нити (в другом варианте два ролика, которые могут вращаться практически без трения), упругую плоскую пластину, установленную в корпусе под углом к нити с миниатюрным роликом, который касается нити и расположен на незакрепленном конце упругой пластины. На незакрепленном конце пластины со стороны внутренней поверхности размещен постоянный магнит. При отсутствии натяжения нити упругая пластина не согнута, а ее свободный конец с колесиком находится значительно выше горизонтальной линии, соединяющей указанные отверстия. Датчик Холла размещен в корпусе неподвижно в непосредственной близости от постоянного магнита. При натяжении нити под воздействием вертикальной составляющей силы натяжения конец упругой пластины изгибается, перемещая постоянный магнит. Вследствие изменения индукции магнитного поля вблизи датчика Холла изменяется его выходной сигнал, по которому судят о силе натяжения нити. Недостатком этого устройства является низкая точность измерения натяжения изделия, особенно если нельзя пренебречь собственным его весом (металлическая нить, струна и т.д.), вследствие неопределенности начального положения упругой пластины при воздействии собственного веса, а также наличия области нечувствительности упругого элемента к натяжению при малых силах натяжения для невесомых нитей. Дополнительная погрешность вносится из-за значительной нелинейности характеристики выходного сигнала от силы натяжения вследствие использования в конструкции только одного постоянного магнита, вызывающего нелинейное распределение индукции магнитного поля на траектории движения датчика Холла. Наиболее близким к заявляемому является устройство для измерения силы натяжения каната, описанное в 2 (прототип). Устройство содержит основание с вертикальной стойкой, расположенный вертикально канат (протяженное гибкое изделие), силу натяжения в котором необходимо контролировать, аналоговый преобразователь силы в электрический сигнал, выполненный в виде силоизмерительного тензорезистивного консольного датчи 2 17294 1 2013.06.30 ка, в проходных отверстиях которого установлены две неподвижные направляющие опоры, равноудаленные от расположенной между ними центральной опоры, ограничивающей ход прижимного упора, соединенного стяжными болтами и гайками, установленными через тарельчатые шайбы, с планкой, упирающейся в корпус датчика и закрепляющей на корпусе центральную опору. Все опоры спрофилированы по диаметру каната, при этом центральная опора имеет меньшую высоту, чем направляющие опоры. Устройство устанавливают так, чтобы канат проходил через опоры. Прижимной упор прогибает канат и нагружает опору с усилием, равным составляющей силы натяжения в направлении оси опоры. Это усилие измеряется тензодатчиком и автоматически пересчитывается в силу натяжения каната в блоке обработки информации. Основным недостатком прототипа является низкая точность измерений, обусловленная неопределенностью показаний силоизмерительного тензорезисторного консольного датчика при затягивании гаек через тарельчатые шайбы, которые не в полной мере могут нормировать усилие прижима каната, чтобы обеспечить его прогиб на фиксированную величину, равную разности высот направляющих опор и центральной опоры (отсутствует элемент измерения при затягивании гаек). Устройством нельзя проводить измерения при движении каната. Задачей, решаемой в настоящем изобретении, является повышение точности измерений. Устройство для измерения силы натяжения гибкого протяженного изделия круглого сечения содержит массивное немагнитное основание с вертикальной стойкой, две неподвижные направляющие опоры, закрепленные на стойке, между которыми расположен первый прижимной упор, выполненный с возможностью горизонтального перемещения и проходящий через отверстие в стойке, аналоговый преобразователь силы в электрический сигнал, затяжную гайку, выносной блок обработки информации, причем все поверхности,контактирующие с изделием, профилированы под его диаметр. Оно отличается тем, что содержит второй прижимной упор, идентичный первому и скрепленный с ним передней и задней планками, расположенными соответственно по обе стороны стойки, причем все упоры и опоры снабжены роликами, выполненными с возможностью контактирования с поверхностью изделия, затяжная гайка размещена на штоке с резьбой, который скреплен с задней планкой и выполнен с возможностью горизонтального перемещения аналоговый преобразователь силы в электрический сигнал содержит крестообразный пружинный шарнир с вертикальной планкой, выполненной с отверстием для прохождения штока, контактирующей с затяжной гайкой через металлическую прокладку, первый датчик Холла, размещенный на свободном конце планки шарнира, и два неподвижных постоянных миниатюрных идентичных магнита, установленные с зазором на массивном основании по обе стороны от этого датчика в непосредственной близости от него, ориентированные одноименными полюсами навстречу друг другу аналоговый преобразователь горизонтального положения прижимных упоров в электрический сигнал, содержащий второй датчик Холла, закрепленный неподвижно на вертикальной стойке, два постоянных миниатюрных магнита, размещенные на штоке с зазором по обе стороны от второго датчика в непосредственной близости от него, ориентированные одноименными полюсами навстречу друг другу вертикальная стойка снабжена горизонтальной пластиной с установленным на ней механизмом калибровки аналогового преобразователя силы,выполненного в виде ролика на подставке и невесомой нити с набором калибрующих грузов. По мнению авторов, устройство содержит вышеприведенный ряд новых элементов,позволяющих реализовать выполнение поставленной задачи по повышению точности измерений силы натяжения гибкого изделия как в статике, так и при его движении, например при использовании изделия в работе технологических циклов. Точность измерений силы натяжения гибкого изделия в первую очередь повышается за счет одновременного использования в конструкции аналоговых преобразователей силы и горизонтального положения прижимных упоров, замены упругого элемента консольного типа на крестооб 3 17294 1 2013.06.30 разный пружинный шарнир, позволяющий повысить точность измерений как на начальной стадии, так и в условиях вибраций. Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научнотехническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого устройства, показал, что заявляемое устройство соответствует критерию новизна по действующему законодательству. Таким образом, комплексный анализ изложенных отличительных признаков конструкции устройства показывает, что они являются существенными и находятся в прямой причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом. Из уровня техники не выявлено технических решений, отличительные признаки которых обеспечивают решение поставленной в заявляемом изобретении задачи, следовательно, можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности изобретательский уровень. Заявляемое изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 изображено устройство для измерения силы натяжения, вид сбоку. На фиг. 2 - зависимость выходного сигнала 1 первого датчика Холла от величины его перемещенияв зазоре между двумя постоянными магнитами марки К 37 А, выполненными на основе редкоземельных материалов 5. Устройство для измерения силы натяжения содержит гибкое протяженное изделие круглого сечения 1, расположенное вертикально, силу натяжения в котором необходимо контролировать, массивное немагнитное основание 2 с вертикальной стойкой 3, две неподвижные направляющие опоры 4 и 5, закрепленные на стойке 3, между которыми расположены два прижимных упора 6 и 7 на расстояниидруг от друга, выполненные с возможностью горизонтального перемещения и проходящие через отверстия в стойке 3,затяжная гайка 8, выносной блок обработки информации (не показан), причем все поверхности, контактирующие с гибким изделием, профилированы под диаметр изделия 1. Прижимные упоры 6 и 7 скреплены передней 9 и задней 10 планками, расположенными соответственно по обе стороны стойки 3. Все опоры 4, 5 и упоры 6, 7 и снабжены роликами 11, 12 и 13, 14 соответственно, которые контактируют с поверхностью гибкого протяженного тела круглого сечения 1, пропущенного между парами роликов 11, 12 с внешней стороны и роликами 13, 14 с внутренней стороны соответственно. Как и в прототипе, все поверхности, контактирующие с изделием 1, спрофилированы по его диаметру. Зажимная гайка 8 размещена на штоке 15 с резьбой, который скреплен с задней планкой 10 и выполнен с возможностью горизонтального перемещения, причем шток расположен симметрично относительно прижимных упор 6, 7 и направляющих опор 4, 5. Аналоговый преобразователь силы в электрический сигнал содержит крестообразный пружинный шарнир 16 с вертикальной планкой 17, выполненной с отверстием для прохождения штока 15, контактирует с зажимной гайкой 8 через кольцевую металлическую прокладку 18. Первый датчик Холла 19 размещен на свободном конце планки 17 шарнира и расположен между неподвижными постоянными миниатюрными магнитами 20 и 21, установленными с зазором на массивном немагнитном основании 2. Магниты 20 и 21 ориентированы одноименными полюсами навстречу друг другу. Аналоговый преобразователь горизонтального положения прижимных упоров в электрический сигнал содержит второй датчик Холла 22, закрепленный неподвижно на вертикальной стойке 3, два постоянных миниатюрных магнита 23 и 24, размещенные на штоке 15 с зазором по обе стороны от второго датчика Холла 22 в непосредственной близости от него, ориентированы одноименными полюсами навстречу друг другу. Вертикальная стойка 3 снабжена горизонтальной пластиной 25 с установленным на ней механизмом калибровки аналогового преобразователя силы. Механизм калибровки содержит ролик 26 на подставке 27, невесомую нить 28, перекинутую через ролик 26, и набор калибрующих грузов 29 известной массы. Крестообразный пружинный шарнир 16 выполнен в виде четырех перекрещивающихся плоских стальных 4 17294 1 2013.06.30 пружин (на фиг. 1 они отдельными цифрами не обозначены), закрепленных соответствующим образом винтами 30, и содержит рычаг 31, планку 17, а также балансир 32 для создания начального контролируемого прижима протяженного гибкого тела 1 к роликам,установленным на опорах 4, 5 и упорах 6, 7 (расстояние между осями роликов 13 и 14 равно ). Следует отметить, что перемещение планки 17 на величину , а также зазор между магнитами 20 и 21 изображены на фиг. 1 увеличенными (практически величинане превышает 2 мм). Ограничитель 33 перемещения планки 17 предохраняет крестообразные пружины шарнира 16 от перегрузки при затягивании гайки 8. Устройство работает следующим образом. Вначале калибруют аналоговый преобразователь силы. При этом при отсутствии протяженного гибкого изделия 1 подвешивают набор калибровочных грузов 29 массойна невесомой нити 28, перекинутой через ролик 26. Нить крепится к середине передней планки 9 и воздействует на аналоговый преобразователь силы в электрический сигнал с силой, равной , имитируя горизонтальную составляющую силы натяжениягибкого изделия 1. При этом свободный конец планки 17 смещается на величину , силауравновешивается силой упругости пружин шарнира 16, и выходной сигнал с датчика Холла 19 поступает в блок обработки информации устройства. В соответствии с законом упругости Гука при малых значенияхнаблюдается прямопропорциональная зависимость выходного сигнала аналогового преобразователя силы от величины , а сигнал и возможные отклонения от линейности заносятся в энергонезависимую память блока обработки информации. Меняя количество грузов, можно прокалибровать аналоговый преобразователь силы в электрический сигнал с высокой точностью. После завершения калибровки нить 28 отсоединяют от планки 9, а протяженное гибкое изделие 1 пропускают между роликами в соответствии с фиг. 1. Далее измерения проводятся одинаково, независимо от того, движется изделие 1 со скоростьюили находится в статическом положении. С помощью затяжной гайки 8 перемещают шток 15 до касания роликов 13 и 14 горизонтального изделия 1. Тонкую настройку начального положения роликов проводят с помощью балансира 32 по появлению электрического сигнала с датчика Холла 19. При этом аналоговый преобразователь горизонтального положения прижимных упоров фиксирует начальное положение штока 15. Вращением гайки 8 оттягивают гибкое изделие на величину горизонтального смещения , определяемую с помощью аналогового преобразователя горизонтального положения прижимных упоров 6 и 7 (по сигналу с датчика Холла 22). При этом планка 17, а следовательно, и датчик Холла 19 смещаются на величину , при этом горизонтальная составляющая силы натяженияуравновешивается силой упругости пружинкрестообразного пружинного шарнира 16. Выходной сигнал 1 с датчика Холла 19 поступает в блок обработки информации устройства, в котором определяется величина ,и вычисляется искомое значение силы натяжения гибкого изделия 1 по следующим формулам/ (2) ,(1) гдесила упругости пружин крестообразного пружинного шарнира,- угол между вертикалью и гибким изделием в момент измерения, причем,где- расстояние по вертикали между направляющей опорой 4 и прижимным упором 7, - расстояние смещения гибкого изделия по горизонтали от первоначального положения. Исходя из вышеизложенного, для заявленного устройства в том виде, как он охарактеризован в приведенной формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов,поэтому заявляемое устройство соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. 5 1. Патент 4759226, МПК 701 5/10, 1988. 2. Патентна полезную модель 47517, МПК 701 5/04, 2005 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.