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

Изобретение относится к области измериТСЛЬНОЙ ТСХНИКИ И МОЖСТ бЫТЬ ИСПОЛЬЗОВЗНО В виде платформенного, подвесного И вЬ 1 полненНОГО ИЗ НСЗЗВИСИМЫХ ИЗМСРИТСЛЬНЫХ 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 (511, авторское свидетельство Мг 1290086, кл. С 01 С 21/24, 1987).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 (115, патент Мг 4629019, кл. С 01 С 3/14, 1986 - прототип).Известны весы, содержащие установленную на регулируемых опорах платформу с размещенными на ней средствами измерения веса установленных на платформе объектов х (511,авторское свидетельство Мг 1290086, кл. С 01 С 21/24, 1987).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 (115, патент Мг 4629019, кл. С 01 С 3/14, 1986 - прототип).Известно устройство для осуществления способа ИЗМСрСШШ МСХЗНИЧССКИХ СИЛОВЫХ ВОЗдействий между материальными объектами,содержащее корпус, соединенный через опорные элементы с измерительными блоками, установленными на основаниях (115, патент Мг 4629019, кл. С 01 С 3/14, 1986 - прототип).Известно устройство для осуществления способа ИЗМСрСШШ МСХЗНИЧССКИХ СИЛОВЫХ ВОЗдействий между материальными объектами,содержащее измерительную систему, расположенную на основании и соединенную через силопередающий узел с опорным узлом (115, патент Мг 4629019, кл. С 01 С 3/14, 1986 - прототуш).Недостатком известных способов и устройств для их осуществления является сравъштельно большое значение абсолютной погрешНОСГИ ИЗМСрСШШ МЗКСИМЗЛЬНЫХ ЗНЗЧСНИЙ МСХЗнических силовых воздействий из-за неоптимальных условий их реализации.ДОСТИГЗСМЫМ ТСХНИЧССКИМ РСЗУЛЬТЗТОМ В СООТВСТСГВИИ С ЗЗЯВЛСННЫМИ объектами ЯВЛЯСТ 000241ся снижение абсолютной погрешности измереШШ МЗКСИМЗЛЬНЬЕХ ЗНЗЧСНИЙ МСХЗНИЧССКИХ СИловЬ 1 х воздействий.Совокупность существенных признаков,достаточную для достижения указанного технического результата, обеспечивают в заявленном СПОСОбС ИЗМСрСНИЯ МСХЗНИЧССКИХ СИЛОВЬЕХ 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. Отличительные особенности способа заключаются в том, что располагают п,измерительных блоков между произвольно расПОЛОЖСННЫМИ В пространстве материальными объектами, где 111 выбирают в пределах 1 5 111 5 103, по линиям их силового взаимодействия таким образом, что угол ос между векторами силового воздействия материальных объектов и осяМИ ОПТИМЗЛЬНОГО ИЗМСрИТСЛЬНОГО ВОЗДСЙСТВИЯ на блок выбирают в пределах О 5 ос 5 89.Часть 112 датчиков, где 112 выбирают из условия: 1 5 (111+112)/11 1 5 2, устанавливают для изМСрСНИЯ нормальных, Т.С. направленных ВДОЛЬ линии действия измеряемой силы, составляющих силовых воздействий, а часть 113, где 113 вь 1 бирают в пределах 15(113+111)/11152, устанавливаЪОТ ДЛЯ ИЗМСрСНИЯ ТЗНГСНЦИЗЛЬНЫХ, Т.С. направленных перпендикулярно ЛИНИИ действия измеряемой СИЛЫ, составляющих силовых воздействий. При этом обеспечивают соотношение между измеряемыми тангенциальной Рд и нормальной Рд составляющими измеряемого силового воздействия в пределах 15(Р+Р 2 д)/Р 2 д 5100, где 15 1 5111. Часть 114 измерительных блоков, вЬ 1 бираемая в пределах 15(114 + 111)/11152, и/или 115 доПОЛНИТСЛЬНЫХ ИЗМСрИТСЛЬНЫХ бЛОКОВ, ВЫбИраемых из условия 15(115 + п 1)/1115100 используют в качестве эталонных для калибровки норМЗЛЬНЫХ И ТЗНГСНЦИЗЛЬЪПЯХ СОСТЗВЛШОЩИХ ИЗмеряемь 1 х силовых воздействийВ качестве измеряемого электромеханического параметра, связанного с силовым механическим воздействием выбирают преимущественно изменение АС, емкости СЮ конденсатора,выполненного в виде группы мембран, образующих датчик каждого измерительного блока. В зависимости от величины силового воздействия Р, преобразуют параметр АСд/СЮ в соответствующий ему электрический параметр - частоту й, связанную с ним соотношением:где 105 а 5 10 Гц; 0,1 541215 10; 1 515111; 1 5 15 10; 10" 5 Ьд 5 1022, так что 10-3 за: 10 Гц, в зависимости от выбора материала мембран, их конструктивных параметров И диапазона рабочих нагрузок.Используя электрическую кабельную линию, либо канал радиосвязи, либо волоконнооптическую линию, либо инфракрасную, либо ультразвуковую технику, передают полученную информацию об электромеханических параметрах от измерительных блоков в микропроцессорный блок управления и обработки информации. Преобразуют совокупность частот Г, с использованием зависимости Г, = 1,Ц, где 102 5 1, 5 102 , а искомое значение Р, определяют на основании зависимостигде 104 5 А, 5 103; 104 5 113,31 5 102"; -10 5 413,] 5 10; 103 5 Ц 5 108 Гц - экспериментальные параметры, выбираемые в зависимости от материала мембран, их конструктивных особенностей и диапазона рабочих нагрузок. В ряде практичеСКИХ СЛУЧЗСВ ИСКОМЫС ЗНЗЧСНИЯ СИЛОВЫХ ВОЗдействий Р 1 определяют на основании зависиМОСТИ Р; = А; + ВНГН- В,21;2, гдеА; 103,104" 5 в 5 102".Совокупность существенных признаков,достаточная для достижения указанного технического результата, обеспечена также с помощью платформенното устройства для осуществления заявленного способа, содержащего установленную на регулируемых опорах платформуоснование с размещенными на ней блоками измерения силовых воздействий, и силовоспринимающую платформу, установленную на верхних частях этих блоков. Отличительные особенности устройства заключаются в том, что отношение длины 14 регулируемой части опор к расстоянию 14 между наиболее удаленными точками трузоприемной платформы выбрано из условия 0,015 14/14 5 0,5. Минимальное расстояние 14, Между точками нагружения датчиков И максимальная величина 14 этого расстояния взаимосвязаны соотношением 0,15 14/14, 5 1, а отношение величины 14, к величине 14 выбрано из условия 0,55 14/14 51.ДЗТЧИКИ бЛОКОВ ИЗМСрСНИЯ ВЫПОЛНСНЪ 1 В виде двух силовоспринимающих мембран, служащих основой измерительных конденсаторов,ПСрСМСННЗЯ ТОЛЩИНЗ КОТОРЫХ (1, ПО ПОВСрХНОСТИ каждой мембраны выбрана в зависимости от ее максимального поперечного размера 14 из условия 10' 5 с 1/14 5 102. При этом отношение минимального расстояния 14 между мембранами выбрано ПО ОТНОШСНШО К МЗКСИМШТЬНОМУ ПОПСречному размеру 14 мембраны из условия 0,8 5 14/145 10. Минимальные 5 и максимальные 52,значения площадей обкладок каждого измерительного конденсатора, которые (все либо часть из них) жестко скреплены с силовоспринимаю Пп/ 131щими мембранами, выбраны из условия 0,1 5 5 /52, 51.Совокупность существенных признаков,достаточная для достижения указанного технического результата, обеспечена также с помощью устройства для осуществления заявленного способа ИЗМСрСНИЯ МСХЗНИЧССКИХ СИЛОВЬЕХ ВОЗдействий между материальными объектами,содержащего корпус, соединенный через опорные элементы и силопередающие узлы с измерИТСЛЬНЫМИ блоками, УСТЗНОВЛСННЫМИ на ОСНОВЗНИЯХ, ТСМ, ЧТО КОрПУС ВЫПОЛНСН В ВИДС СМКОсги произвольной формы с минимальным разМСрОМ Ь 7 ВЗЗИМОСВЯЗЗЪШЫМ С СГО МЗКСИМЗЛЬНЬПИ размером 14 соотношением 1 5 (14+ 14)/14 5 2. Емкость выполнена с щ загрузочными и п 7 разгрузочными отверстиями, причем щ и 117 вЬ 1 браны из условий 1 5 щ 5 102, 1 5 117 5102. При этом суммарные площади 53 загрузочных и 54 разгрузочных отверстий выбраны по отношению к площади 55 внутренней поверхности корпуса соответственно из условий 104 5 53/55 5 1; 104 5 54/55 5 1, и все отверстия выполнены с крЬ 1 шками и/или без них.На наружной поверхности корпуса устаНОВЛСНЫ 113 ОПОрНЫХ ЗЛСМСНТОВ ПрОИЗВОЛЬНОИ формы, причем 1 5 118 5 102. Опорные элементы через силопередающие узлы соединены с измеригельными блоками таким образом, что точки приложения результирующего силового воздействия на измерительные блоки расположены относительно Центра масс незатруженного корпуса на расстояниях 14 где 1 5 1 5 пд, вЬ 1 бранных по отношению к 14 из условия 103 5 14/14 5 6. Основания выполнены регулируемыми для обеспечения углов у где 1 5 1 5 па, между результирующей внешнего силового воздействия и осями оптимального силового воздействия каждого из измерительных блоков, выбираемых из условия 0 5 у, 5 30.Совокупность существенных признаков,достаточная для достижения указанного технического результата, обеспечена также с помощью устройства для осуществления указанного способа, содержащего корпус, соединенный ЧСрСЗ ОПОрНЫС ЗЛСМСНТЫ И СИЛОПСрСДЗЮЩИС узлы с измерительными блоками тем, что опорНЪ 1 С ЗЛСМСНТЫ ВЬШОЛНСНЫ В ВИДС КрОНШТСЙНОВ,установленных под углом В, выбранном из условия 0 5 В 5 170 относительно внешней поверхности емкости, максимальные размеры 140,кронштейнов, где 1 5 1 5 из, относительно максимального размера 14 емкости выбрано из условия 105 5 140/14 5 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 ОПОрНЫС ЗЛСМСНТЫ С ИЗМСРИТСЛЬНЫМИ блоками,отличающегося тем, что силопередающие узлыСовокупность существенных признаков,достаточная для достижения указанного технического результата, обеспечена также с помощью подвесного устройства для осуществления способа ИЗМСрСШШ МСХЗНИЧССКИХ СИЛОВЫХ ВОЗдействий, содержащего измерительные блоки,расположенные на основании и соединенные через силопередающий узел с опорным узлом,ТСМ, ЧТО ОСНОВЗНИС И ОПОрНЫЙ УЗСЛ ВЫПОЛНСНЫ 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 141 между точками приложения силовых воздействий к каждому измерительному блоку по отношению к расстоянию 142 между точками приложения результирующих силовых векторов внешних силовых воздействий к консолям основания и опорного узла выбрано из условия 102 5 141/142 5 1, а угол б между осью оптимального силового воздействия на каждый измерительный блок и направлением результирующего вектора внешнего воздействия выбран в пределах 0 5 б 5 1 О. Расстояния 143 между точкой приложения результирующего вектора внешнего силового воздействия К основанию и точками передачи силового воздействия от основания к измерительным блокам И расстояние 144 между точкой приложения результирующего вектора внешнего силового воздействия к опорному узлу и точками передачи силового воздействия опорным узлом к измерительным блокам системы вЬ 1 браны из условия 0,1 5 143/144 510.Совокупность существенных признаков,достаточная для достижения указанного технического результата, обеспечена также с помощью подвесного устройства, отличающегося ТСМ, ЧТО КОНСОЛЬ ОСНОВЗНИЯ ВЫПОЛНСНЗ В ВИДС скобы, отношение миъшмального 145 к максимальному 146 ее размеров выбрано из условия 0,1 5 145/14, 51, а также с помощью подвесного устройства, отличающегося тем, что консоль опорного узла выполнена скобообразной формы с отношением максимального ее размера 147 к максимальному размеру 146 скобы основания,выбранным из условия 0,2 5 147/146 5 5.Заявленные объекты целесообразно пояснить с помощью чертежей, на которых схематически изображены: на фиг.1 - конструктивное выполнение платформенного устройства; на фиг.2 - конструкция измерительного узла; На фиг.3 - конструктивное выполнение бесплатформенного устройства; на фиг.4 - конструкция подвесного устройства.Лучший вариант осуществления изобретенияВ числе сведений, подтверждающих возможность осуществления заявленных объектов,нецелесообразно детально останавливаться на ИЗВССТНЫХ ИЗ опубликованных ИСТОЧНИКОВ ИХ особенностях, в частности для способа - на описании особенностей приведения в механический контакт взаимодействующих объектов и измерИГСЛЬНЫХ бЛОКОВ ДО ВОЗНИКНОВСНИЯ МСЖДУ 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.Детально целесообразно описать только отличительные существенные признаки предложенного способа, заключающиеся в том, что располагают 111 измерительных блоков между произвольно расположенными в пространстве материальными объектами, где 111 выбирают в пределах 1 5 11, 5 103, по линиям их силового взаимодействия таким образом, что угол ос между векторами силового воздействия материальНЪ 1 Х ОбЪСКГОВ И ОСЯМИ ОПТШИЗЛЬНОГО ИЗМСрИтельного воздействия на блок выбирают в пределах 0 5 (х 5 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 112 датчиков, где 112 выбирают из условия: 15 (111 + 112)/1115 2, устанавливают для изМСрСНИЯ нормальных, Т.С. направленных ВДОЛЬ линии действия измеряемой силы, составляющих силовых воздействий, а часть 113, где 113 вь 1 бирают в пределах 15 (113 + 11 1)/11 5 2, устанавлиВШОТ ДЛЯ ИЗМСрСНИЯ ТЗНГСНЦИЗЛЬНЪ 1 Х, Т.С. направленных перпендикулярно лишш действия измеряемой силы, составляющих силовых воздействий. При этом обеспечивают соотношение между измеряемыми тангенциальной Р], и нормальной Рд составляющими измеряемого силового воздействия в пределах 15 (Р + Рд) /Рд 5 100, где 15 1 5 11,. Часть 114 измерительных блоков, выбираемая в пределах 1 5 (114 + 111)/11 5 2,и/или 115 дополнительных измерительных блоков, выбираемых из условия 15 (115 + 111)/11 5 100 используют в качестве эталонных для калибровКИ нормальных И ТЗНГСНЦИЗЛЬНЫХ СОСГЗВЛШОщих измеряемых силовых воздействий.В качестве измеряемого электромеханического параметра, связанного с силовым механическим воздействием выбирают преимущественно изменение АС, емкости СЮ конденсатора,выполненного в виде группы мембран, образующих датчик каждого измерительного блока.В зависимости от величины силового воздействия Р, преобразуют параметр АС,/С, в соответствующий ему электрический параметр - частоту 1 связанную с ним соотношением:где 10 а 1 огцд 0,1 514,5 10; 1 51511,; 1 5 1 5 10; 10185113515 10, так что 10-3 за 5 108 Гц,в зависимости от выбора материала мембран, их конструктивных параметров и диапазона рабочих нагрузок.Используя электрическую кабельную линию либо канал радиосвязи, либо волоконнооптическую линию, либо инфракрасную, либо ультразвуковую технику, передают полученную информацию об электромеханических параметрах от измерительных блоков в микропроцессорный блок управления и обработки информации. Преобразуют совокупность частот 1, с использованием зависимости 1, =1,1,5 где 102 5 1,5 102, а искомое значение Р, определяют на осНОВЗНИИ ЗЗВИСИМОСТИгде 103 5 А, 5 103; 1 о 2"51 в 15 102" ; -1 о 5 415 5 10; 10'3 25, 5 108 Гц - экспериментальные параметры, вЬ 1 бираемЬ 1 е в зависимости от материала мембран, их конструктивных особенностей и диапазона рабочих нагрузок. В ряде практичеСКИХ СЛУЧЗСВ ИСКОМЬТС ЗНЗЧСНИЯ СИЛОВЫХ ВОЗдействий Р, определяют на основании зависимоСТИ Рд = Ад + ВНГН ВЩГ, Где 10.3 А; 5 103,102": 113,1: 102.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 трузоприемную платформу 4, установленную на верхних частях датчиков 3. Длина 14 регулируемой части опор 1, как уже отмечалось, вЬ 1 брана по отношению к расстоянию 14 между наиболее удаленными точками трузоприемной платформы из условия 0,01 14/14 5 0,5. Минимальное расстояние 14 между точками нагружеНИЯ ДЗТЧИКОВ 3 И МЗКСИМЗЛЬНЭЯ ВСЛИЧИНЗ 144 ЭТОго расстояния взаимосвязаны соотношением 0,15 14/14, 5 1, а отношение величины 14 к величине 14 выбрано из условия 0,514,/141.Измерительные блоки 3 выполнены, преИМУЩССТВСННО, В ВИДС ДВУХ силовоспринимающих мембран 5 (фиг.2), минимальная толщина КОТОРЫХ (1, ИЗМСРСННЭЯ ВДОЛЬ ЛИНИИ ОПТШИЗЛЬного измерительного воздействия на измерительный блок, выбрана в зависимости от точки ее измерения по отношению к максимальномупоперечному размеру 15 из условия 10' 5 1/15 5 102. При этом отношение минимального расстояния 14, между мембранами выбрано по отношению к максимальному поперечному размеру 15 мембраны из условия 0,8 5 14/145 10.Толщина мембран а в ряде случаев может быть определена зависимостью а = А + Вг, где 1 расстояние ОТ ЛИНИИ ПрИЛОЖСНИЯ МСХЗНИЧССКОго воздействия до точки измерения значения 11, а А, В, а - экспериментальные константы, определяемые материалом мембран, профилем их сечения, особенностями их изготовления, диапазоном нагрузок, выбраны в пределах: О 5 а 5 10,103 А 10 [см], озвз 10 [смш 1.Минимальные 5 и максимальные 52, значения площадей обкладок каждого измерительного конденсатора, которые (всех либо части из них) жестко скреплены с силовоспринимающими мембранами, выбраны из условия 0,1 5 51/52, 1.Достижение технического результата обеспечено также с помощью устройства для осуществления заявленного способа, 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 14 ВЗЗШИОСВЯЗЗННЬТМ С СГО МЗКСИМЗЛЬНЬТМ размером 14, соотношением 1 5 (17+ 149/14, 5 2. Емкость выполнена с 11 загрузочными и 117 разгрузочными отверстиями, причем 11 и 117 выбраны из условий 1 5 п, 5 102, 1 5 п 7 102. При этом суммарные площади 55 загрузочных и 54 разгрузочных отверстий выбраны по отношению к площади 55 внутренней поверхности корпуса соответственно из условий 104 5 55/55 5 1; 104 5 54/55 5 1, и все отверстия выполнены с крЬ 1 шками и/или без них.На наружной поверхности корпуса устаНОВЛСНЬТ 113 ОПОРНЬТХ ЗЛСМСНТОВ ПрОИЗВОЛЬНОЙ формы, причем 1 5 118 5 102. Опорные элементы через силопередающие узлы соединены с измерительньтми блоками таким образом, что точки приложения результирующего силового воздействия на измерительные блоки расположены относительно Центра масс незагруженного корпуса на расстояниях 14 где 1 5 1 5 пд, вЬ 1 бранных по отношению к 14; из условия 103 5 144/14; 5 6. Основания выполнены регулируемыми для обеспечения углов у где 1 5 1 5 118, между результирующей внешнего силового воздействия и осями оптимального силового воздействия каждого из измерительных блоков выбираемых из условия 0 5 у, 5 30.Достижение технического результата обеспечено также с помощью устройства для осуществления указанного способа, содержащего корпус, соединенный через опорные элементы и силопередающие узлы с измерительными блоками ТСМ, ЧТО ОПОРНЬТС ЗЛСМСНТЬТ ВЫПОЛНСНЪТ