той до 10—20 Гц. Здесь сигнал электрического датчика перемещения (фотоэлектрического, емкостного или индуктивного типа) усили вается в усилителе, который питает током катушку. Величина тока в цепи катушки является выходным сигналом динамометра и может измеряться непосредственно или по падению напряжения на сопро тивлении R. В такой схеме катушка и постоянный магнит составляют систему, подобную пружине с переменной жесткостью. Поскольку
Рис. 107. Схемы компенсационных динамометров: а — пружинного типа:
1 |
— грузоприемный рычаг; 2 — силоизмерительная пружина; 3 — перо; 4 — ходовая гайка; |
5 — сервомотор; 6 — счетчик оборотов; 7 — барабан самописца; 8 — усилитель; 9 — элек |
троконтакты; 10 — начальный груз;
б — электромагнитного типа со статическим уравновешиванием:
1 — грузоприемный рычаг; 2 — датчик перемещения; 3 — усилитель; 4 — катушка; 5 — постоянный магнит
величину коэффициента усиления усилителя можно выбрать такой, чтобы перемещение катушки не превосходило 0,01 мм, то жесткость «электрической пружины», от которой зависит быстродействие при бора, может быть очень велика. Так, например, в весовом элементе, используемом в Вашингтонском университете, коэффициент жест кости составлял около 2>106 Н/м и собственная частота была равна 200 Гц [161]. При максимальной нагруке в 30—50 Н сила тока в катушке составляла 30—50 мА. Весовые элементы этого типа поз воляют получать погрешность и нелинейность характеристик по рядка 0,1%.
2. Гидравлические и пневматические динамометры
Гидравлические и пневматические силоизмерители (мессдозы) предназначены для преобразования измеряемого усилия в давление жидкости или воздуха, которое затем измеряется с помощью мано метра любого типа. Принципиально мессдозы представляют собой простейшие поршневые пары и дают возможность дистанционно измерять усилия практически любой величины. В современной иссле
довательской технике используются статические (глухие) жидко стные, проточные жидкостные и пневматические, компенсационные жидкостные и пневматические мессдозы.
Схема глухой гидравлической мессдозы представлена на рис. 108. Здесь измеряемое усилие F, воздействуя на поршень, создает давле ние в жидкости, заключенной между корпусом и поршнем. Для гер метизации полости с жидкостью используется эластичная мембрана. Исключение вредного действия боковых составляющих измеряемого усилия достигается за счет использования шариковой передачи уси лия и установки направляющих пластин типа изображенных на рис. 25, в. Рабочие (герметизирующие) мембраны для давлений до
Рис. 108. Глухая диафрагменная мессдоза:
1 — основание корпуса; 2 — дренажный кран; 3 — крышка кор пуса; 4, 5 — гибкие пластины; 6 — поршень; 7 — шарик; 8 — мано метр; 9 — диафрагма; 10 — баллон с рабочей жидкостью; 11 — з а правочный кран; 12 — воздушный редуктор
106 Па изготавливаются из высокопрочной прорезиненной мембран ной ткани толщиной 0,3—0,8 мм на стеклянной, шелковой и капро новой основе или из бериллиевой бронзы толщиной 0,05—0,06 мм. Мембраны из бронзы отличаются от мембран из прорезиненных тка ней лучшей линейностью характеристики и отсутствием гистерезиса. Для мембран, работающих при больших давлениях, применяется маслобензостойкая резина средней твердости толщиной 2—3 мм.
На точность измерения сил с помощью мессдоз существенное влияние оказывает величина перемещения поршня, поскольку эффек тивная площадь рабочей мембраны меняется при ее прогибе, а на деформацию направляющих пластин затрачивается некоторое уси лие. Если допустить, что рабочая полость системы заполнена абсо лютно несжимаемой жидкостью и пренебречь деформациями рабочей мембраны, корпуса и соединительных трубок, то ход поршня опре делится лишь изменением объема внутренних полостей манометра.
При использовании обычных трубчатых манометров ход поршня мессдозы под действием максимальной нагрузки в идеальном случае
не должен был бы превышать 0,05—0,1 мм. В действительности в глухих гидравлических мессдозах наблюдаются значительно большие перемещения поршней, доходящие до 1 —1,5 мм. Это объяс няется прежде всего сжимаемостью реальных рабочих жидкостей,
которая обычно составляет приблизительно |
0,5% на 7• 106 Па. |
Из применяемых рабочих жидкостей |
наименьшую сжимаемость |
имеют глицерин и спирто-водяные смеси |
с |
глицерином, несколько |
большую — минеральные масла и силиконовые жидкости [158[. Боль шие перемещения поршней мессдоз вызываются также захватом воз духа при заполнении гидравлической системы. Часть этого воздуха растворяется в жидкости и мало влияет на сжимаемость жидкости, часть его находится в свободном состоянии и существенно сказы вается на перемещении поршня. При определенных условиях рас творенный в жидкости воздух может выделяться из раствора и пе реходить в свободное состояние. Для исключения возможности обра зования воздушных включений днище поршня имеет выпуклость в наружную сторону, а в наивысшей точке подпоршневого простран ства предусматривается дренажное отверстие с краном. Заполнение гидравлической системы производится обычно (после предваритель ного вакуумирования манометрической магистрали) под давлением при открытом дренажном кране. Влияние воздушных включений особенно существенно в нижней части рабочего диапазона мессдозы, когда давление в рабочей полости невелико. При больших ходах поршня и высокой податливости системы возможно возникновение неустойчивых режимов работы. В некоторых конструкциях глухих мессдоз предусматривается создание начального повышенного дав ления в рабочей полости примерно 10—20 Па, что увеличивает устой чивость, уменьшает ход поршня и влияние воздушных включений, но одновременно сужает диапазон измеряемых усилий. Такое повы шение начального давления может осуществляться либо с помощью пружин, нагружающих поршень, либо повышением давления при заливке гидравлической системы (подпитка).
Вследствие малых перемещений поршня несмотря на его значи тельную массу: инерционные искажения в системе мессдоза — ма нометрическая линия — манометр сравнительно невелики и в основ ном определяются характеристиками линии и манометра. Поэтому часто давление в полости мессдозы измеряется с помощью электри ческих датчиков, ввинчиваемых непосредственно в корпус мессдозы. Кроме мессдоз с разделительной рабочей мембраной известны и другие конструкции глухих мессдоз: сильфонные [81 ], с жесткой толстой мембраной или с приклеенным к поршню и корпусу резино вым кольцом, герметизирующим рабочую полость [61].
Температурные погрешности глухих мессдоз не позволяют обеспечивать высокой точности измерения [лучше ± (1,5— 2) % от верхнего предела показаний] из-за замкнутости рабочего объема гидравлической системы. Лучшие характеристики имеют проточные гидравлические или пневматические мессдозы, в которых источни ком давления служит внешний нагнетатель (насос или баллон с дав лением), а поршень связан с золотником—регулятором давления
в рабочей полости. В таких мессдозах измеряемое усилие уравновешивается давлением движущегося через полость потока жидкости или воздуха. Так как во время работы в проточную мессдозу посту пают все новые порции рабочего тела, то нет необходимости в пол ной герметизации гидропневматической системы, и, следовательно, в конструкции могут быть использованы весьма точные элементы типа неуплотненных поршневых пар (см. гл. IX). В качестве примера жидкостной проточной мессдозы рассмотрим принципиальную схему, приведенную на рис. 109.
При измерении насос нагнетает жидкость из бака в полость под поршнем, к которому приложено измеряемое усилие F. Если F меньше силы давления жидкости р5эф, то поршень, перемещаясь
Рис. 109. Принципиальная^схема проточной мессдозы:
1 — поршень; 2 — корпус; 3 — магистраль слива протек шего масла; 4 — манометр; 5 — сливная магистраль; 6 — масляный бак; 7 — предохранительный клапан; 8 — масля ный насос
вверх, откроет выпускные отверстия, перепад давления на которых начнет снижаться, т. е. начнет снижаться давление под поршнем. Перемещение поршня вверх прекратится, когда F = р5эф. Таким образом, статическая характеристика мессдозы имеет тот же вид, что и в глухом варианте,
но в проточном варианте постоянство эффективной площади го раздо выше. Поскольку сжимаемость жидкости в проточных мессдо зах не сказывается на точности измерения, то обычно используются различные масла, вязкие свойства которых обеспечивают наимень шую протечку жидкости в зазоре неуплотненной поршневой пары. Расход масла через зазор поршневой пары при давлениях (1 ч-2) 103 Па определяется по формуле
пягАрб3
^&цГ~’
где г — радиус поршня; б — величина зазора на сторону; I — длина поршня, погруженного в цилиндр; Ар — перепад давления на коль цевом зазоре, через который протекает масло; р — динамическая
