устройство для измерения силы

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ, содержащее измерительный конденсатор, соединенный одним концом с преобразователем ток - напряжение, аналого-цифровой преобразователь, связанный цифровыми выходами с входами цифро-аналогового преобразователя, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия, оно снабжено генератором постоянного напряжения, пороговой схемой, измерителем напряжения, вычислителем, источником опорного напряжения, генератором переменного напряжения и двухпозиционным переключателем, при этом другой конец измерительного конденсатора подключен к выходу генератора постоянного напряжения, первый вход пороговой схемы соединен с выходом преобразователя ток - напряжение, второй - с выходом цифро-аналогового преобразователя, выход пороговой схемы соединен с измерителем напряжения, вычислителем и аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя, управляющий вход которого подключен к последовательно соединенным генератору переменного напряжения, двухпозиционному переключателю и источнику опорного напряжения, причем второй вход двухпозиционного переключателя соединен с общей точкой электрической схемы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения силы.

Известно устройство для измерения силы [1] содержащее измерительный датчик силы, соединенный с источником питания, который формирует для него напряжение питания (U_о), компенсационный датчик, соединенный с источником питания, который формирует напряжение питания (U), выход измерительного датчика силы и выход компенсационного датчика соединены с соответствующими входами нуль-индикатора, причем выходное напряжение измерительного датчика силы в соответствии с компенсационным способом измерения сравнивают с помощью нуль-индикатора с выходным напряжением компенсационного датчика, нагруженного известной силой (F_o), например, весом гири и регулирование выходного напряжения компенсационного датчика осуществляют путем управления его напряжением питания (U) на выходе соответствующего источника так, чтобы нуль-индикатор показал минимальное отклонение от нулевого значения, при этом по величине напряжения питания компенсационного датчика определяют измеряемую силу по формуле:

F U где F величина измеряемой силы.

Недостатком описанного устройства является низкое быстродействие измерения силы, вызванное следящим регулированием нуль-индикатором выходного напряжения одного из источников питания при измерении значений величины силы.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению, принятым нами за прототип, является устройство [2] содержащее опорный конденсатор С₂ и измерительный конденсатор С₁, к обкладкам которого прикладывается измеряемая сила, преобразователь ток-напряжение, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), регистр последовательных приближений, генератор переменного тока, при этом измерение силы в устройстве осуществляется измерением вариации переменного электрического тока, пропускаемого через измерительный конденсатор.

Приведенное устройство обладает низким быстродействием (скоростью) измерения динамически изменяющейся величины силы вследствие инерционности работы регистра последовательных приближений.

Целью изобретения является повышение быстродействия измерения силы.

Это достигается тем, что предлагаемое устройство снабжено генератором постоянного напряжения, пороговой схемой, измерителем напряжения, вычислителем, источником опорного напряжения, генератором переменного напряжения и двухпозиционным переключателем, при этом второй конец измерительного конденсатора подключен к выходу генератора постоянного напряжения, первый выход пороговой схемы соединен с выходом преобразователя ток-напряжение, второй с выходом цифроаналогового преобразователя, выход пороговой схемы соединен с измерителем напряжения, вычислителем и с аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя, управляющий вход которого подключен к последовательно соединенным генератору переменного напряжения, двухпозиционному переключателю и источнику опорного напряжения, причем второй вход двухпозиционного переключателя соединен с общей точкой электрической схемы.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства; на фиг.2 временная диаграмма его работы до воздействия силы; на фиг.3 временная диаграмма его работы во время воздействия силы.

Устройство для измерения силы содержит измерительный конденсатор 1, соединенный одним концом с преобразователем ток-напряжение 2, аналого-цифровой преобразователь 3, связанный цифровыми выходами с входами цифроаналогового преобразователя 4, с целью повышения быстродействия, оно снабжено генератором 5 постоянного напряжения, пороговой схемой 6, измерителем напряжения 7, вычислителем 8, источником 9 опорного напряжения, генератором 10 переменного напряжения и двухпозиционным переключателем 11. При этом второй конец измерительного конденсатора 1 подключен к выходу генератора 5 постоянного напряжения, первый вход пороговой схемы 6 соединен с выходом преобразователя ток-напряжение 2, второй с выходом цифроаналогового преобразователя 4, выход пороговой схемы 6 соединен с измерителем напряжения 7, вычислителем 8 и аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя 3, управляющий вход которого подключен к последовательно соединенным генератору 10 переменного напряжения, двухпозиционному переключателю 11 и источнику 9 опорного напряжения, причем второй вход двухпозиционного переключателя 11 соединен с общей точкой электрической схемы.

На временной диаграмме работы устройства до воздействия силы (фиг.2) приведены:

U₁ напряжение на выходе генератора 5 постоянного напряжения;

I₁ ток на выходе измерительного конденсатора 1;

U₂ напряжение на выходе преобразователя ток-напряжение 2;

U₃ напряжение на первом входе пороговой схемы 6;

U₄ напряжение на втором входе пороговой схемы 6;

U₅ напряжение на выходе пороговой схемы 6;

U₆ напряжение на управляющем входе генератора 10 переменного напряжения;

U₇ напряжение на выходе генератора переменного напряжения;

U₈, U₉, U₁₀, U₁₁ напряжения соответственно на 1, 2, 3, 4 разрядах аналого-цифрового преобразователя 3.

По оси ординат отложено время t.

На временной диаграмме работы устройства во время воздействия силы (фиг. 3) приведены:

U₁ напряжение на выходе генератора 5 постоянного напряжения;

U₆, U₇ напряжения соответственно на управляющем входе и выходе генератора 10 переменного напряжения;

I₁ ток на выходе измерительного конденсатора 1 до воздействия силы;

I₂ ток на выходе измерительного конденсатора 1 во время воздействия силы;

U₅ напряжение на выходе пороговой схемы 7;

F величина силы, прикладываемая к измерительному конденсатору 1.

По оси ординат отложено время t.

Величины напряжений и токов, указанных на фиг.2 и фиг.3, могут быть получены известными техническими средствами повышенного быстродействия, например, запоминающим осциллографом, стробоскопическим осциллографом и т.д. а величина силы может быть измерена известным емкостным способом.

Устройство работает следующим образом.

Исходным состоянием работы устройства измерения силы до и во время ее воздействия является состояние, когда двухпозиционный переключатель 11 находится в положении 1-3 и на управляющий вход генератора переменного напряжения передается напряжение U₆ (фиг.2, фиг.3), величина которого соответствует напряжению общей точки электрической схемы.

Перед началом измерения силы и при отсутствии нагружения на измерительном конденсаторе 1 двухпозиционный переключатель 11 переводится в положение 1-2. На управляющий вход генератора 10 переменного напряжения подается напряжение U₆, величина которого равна величине напряжения формируемого источником опорного напряжения 9. Это напряжение запускает генератор переменного напряжения 10, который формирует прямоугольные импульсы напряжения, посылаемые на счетный вход аналого-цифрового преобразователя 3 (фиг.2).

Аналоговый сигнал U₅ с выхода пороговой схемы 6 преобразуется аналого-цифровым преобразователем 3 в цифровой код напряжений U₈, U₉, U₁₀, U₁₁, который запоминается его буферными схемами. Этот цифровой код с выходов аналого-цифрового преобразователя 3 подается на соответствующие входы цифроаналогового преобразователя 4, где он преобразуется в напряжения U₄, которое является компенсирующим напряжением и выставляется на второй вход пороговой схемы 6. При этом аналого-цифровой преобразователь 3 подсчитывает число своих импульсов так, чтобы их количество соответствовало количеству дискретных значений напряжения U₄, формируемого выходом цифроаналогового преобразователя 4. Величина этого напряжения U₄ по амплитудной величине соответствует аналоговому напряжению U₃. Это напряжение U₃, формируемое на первом входе пороговой схемы 6, является результатом преобразования суммарных токов, протекающих через измерительный конденсатор 1 до воздействия силы (фиг.2).

Компенсирующее напряжение U₄ формируемое цифроаналоговым преобразователем 4 и выставляемое на второй вход пороговой схемы 6, будет уменьшаться (увеличиваться) до тех пор, пока выходное напряжение U₆ пороговой схемы 6 будет меньше по абсолютной величине минимального напряжения, которое возможно сформировать цифроаналоговым преобразователем 4 (фиг.2).

При достижении компенсирующего напряжения U₄ величины напряжения U₃ на первом входе пороговой схемы управляющая схема в аналого-цифровом преобразователе 3 блокирует работу последнего.

Компенсация напряжения U₃ на первом входе пороговой схемы 6 осуществляется перед измерением силы до ее воздействия путем автоподстройки (регулировки) не фазы как в прототипе, а напряжения U₄ на втором входе этой схемы 6, причем один раз на множество измерений (фиг.2). Только при достижении условий компенсации пороговой схемы 6 до воздействия силы возможен дальнейший переход к процессу измерения силы. Для этого переключатель 11 в ручном режиме переводится в положение 1-3, соединяя управляющий вход генератора 10 переменного напряжения с общей точкой электрической схемы, блокируя работу последнего и прекращая дальнейшее тактирование схемы аналого-цифрового преобразователя 3.

При воздействии силы через измерительный конденсатор 1 будет протекать ток I₂ (фиг.3), величина которого имеет две составляющие: первая составляющая I₁ это величина тока, которая представляет собой сумму величин токов, протекающих через измерительный конденсатор 1 до воздействия силы (F); вторая составляющая I_- это величина тока, которая вызвана действием силы (F) и пропорциональна этой силе, ее назовем изменением (вариацией) токов I₁ и I₂ (фиг.3).

При воздействии силы F на обкладки измерительного конденсатора 1 на выходе пороговой схемы 6 формируется напряжение U₅, величина которого пропорциональна величине воздействующей силы (фиг.3). Величина формируемого напряжения U₅ измеряется измерителем 7. Соответствие единицы измерения напряжения, а следовательно и изменение тока I_- в единицу измерения силы F, осуществляет вычислитель при известных значениях соответствующих коэффициентов пропорциональности (масштабирования) между величиной силы F и величиной формируемого напряжения U₅ и между величиной силы F и величиной изменения тока I_- (фиг.3).

Предлагаемое устройство измерения силы позволит упростить технические средства в измерительном тракте и увеличить быстродействие измерения силы.

Предлагаемое устройство позволяет измерять величину силы и тогда, когда электpонные элементы этого устройства удалены на значительное расстояние от измерительного конденсатора 1, измеряемого эту силу. Это обстоятельство, при правильном выборе технических параметров материала и конструкций конденсатора обеспечивает возможность применения этого конденсатора в следующих жестких условиях эксплуатации: механических и климатических условиях, например в условиях повышенной влажности, в условиях агрессивных сред, в условиях широкого диапазона изменяющихся температур, в условиях сильной вибрации и шума и т.д. в стесненных условиях измерения, когда доступ существующими средствами измерения невозможен, например измерение аксиальных и тангенциальных составляющих силы, воздействующей на вращаемое тело сложной геометрической формы и т.д.