RU2075047C1

RU2075047C1 - Method of determination of forces

Info

Publication number: RU2075047C1
Authority: RU
Inventors: Алексей Вадимович Егоров
Original assignee: Алексей Вадимович Егоров
Priority date: 1992-02-21
Filing date: 1992-02-21
Publication date: 1997-03-10

Abstract

FIELD: measurement of static and dynamic forces in metallurgy, mechanical engineering, electric power engineering. SUBSTANCE: amplitudes of ultrasonic vibrations reflected from bottom 6 of hole 7 and zone of contact of cylinders 1 and 2 are measured and value of forces is determined by their relation. EFFECT: improved precision and reliability of method. 1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области измерения сил и может быть использовано для измерения статических и динамических усилий в металлургической, машиностроительной, энергетической и других отраслях промышленности. The invention relates to the field of measuring forces and can be used to measure static and dynamic forces in the metallurgical, engineering, energy and other industries.

Известен способ определения усилий, при котором через чувствительный элемент пропускают ультразвуковые колебания и определяют величину усилий [1]
Способ основан на связи скорости распространения ультразвуковых волн и внутренних напряжений в той части силовоспринимающего элемента, через которую проходит волна.There is a method of determining forces, in which ultrasonic vibrations are passed through a sensitive element and the magnitude of forces is determined [1]
The method is based on the connection of the propagation velocity of ultrasonic waves and internal stresses in that part of the power-receiving element through which the wave passes.

Недостатком известного способа является малая чувствительность, объясняемая тем, что скорость звука в напряженном материале меняется незначительно (порядка 0,17 0,7%). Это требует достаточно точной и чувствительной аппаратуры, способной измерять временные задержки, сравнимые с долями микросекунд. The disadvantage of this method is the low sensitivity, due to the fact that the speed of sound in a stressed material varies slightly (about 0.17 0.7%). This requires sufficiently accurate and sensitive equipment capable of measuring time delays comparable to fractions of microseconds.

Известен другой способ определения усилий, при котором через чувствительный элемент, представляющий собой два твердых тела с зоной контакта между ними, образованной поверхностями с заданным значением шероховатости, в направлении этой зоны пропускают ультразвуковые колебания и измеряют величину амплитуды прошедших через эту зону или отраженных от этой зоны ультразвуковых колебаний [2] В этом способе величину усилий определяют по отношению величины амплитуды колебаний, прошедших через зону контакта поверхностей, к величине амплитуды излученных ультразвуковых колебаний. There is another method for determining the forces, in which ultrasonic vibrations are passed through a sensitive element, which is two solids with a contact zone between them, formed by surfaces with a given roughness value, and the magnitude of the amplitude passed through this zone or reflected from this zone is measured ultrasonic vibrations [2] In this method, the magnitude of the efforts is determined by the ratio of the amplitude of the vibrations transmitted through the contact zone of the surfaces to the magnitude of the amplitude and radiation of ultrasonic oscillations.

Этот способ обладает большей чувствительностью, т.к. при нагружении силовоспринимающего элемента значительно меняется площадь зоны контакта (на 10 12%) шероховатых поверхностей, аналогично изменяется амплитуда ультразвуковых колебаний, прошедших через эту зону или отраженных от нее. This method has greater sensitivity, because when loading a power-sensing element, the area of the contact zone (by 10 12%) of rough surfaces changes significantly, the amplitude of ultrasonic vibrations transmitted through this zone or reflected from it also changes.

По технической сущности этот способ является наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению и может быть выбран в качестве прототипа. By technical nature, this method is the closest analogue to the claimed technical solution and can be selected as a prototype.

Недостатком этого способа является следующее. The disadvantage of this method is the following.

Определение усилий по отношению величины амплитуды излученных ультразвуковых колебаний к величине амплитуды ультразвуковых колебаний, прошедших или отраженных от зоны контакта тел, вносит существенную погрешность в результат измерения. Это объясняется следующим. Амплитуда излученных колебаний, по отношению к которой определяют величину усилий, является заданной постоянной величиной. Стабильность ее значения зависит от свойств только аппаратуры. На амплитуду же колебаний, проходящих через чувствительный элемент, существенное влияние оказывают такие факторы, как дислокационные явления, происходящие в чувствительном элементе при его нагружении, изменение свойств материала источника ультразвуковых колебаний, связанное с его старением, температурное воздействие окружающей среды, а также изменение состояния контактного слоя жидкости между источником ультразвуковых колебаний и чувствительным элементом. Учесть влияние этих факторов довольно сложно, поскольку степень их проявления зависит от конкретных условий измерения усилий. Поэтому в разных условиях измерения при одних и тех же значениях величины усилий величина отношения сравниваемых амплитуд будет разной. The determination of the forces in relation to the magnitude of the amplitude of the emitted ultrasonic vibrations to the magnitude of the amplitude of the ultrasonic vibrations transmitted or reflected from the contact zone of the bodies makes a significant error in the measurement result. This is explained by the following. The amplitude of the radiated oscillations, in relation to which the magnitude of the efforts is determined, is a predetermined constant value. The stability of its value depends on the properties of only the equipment. The amplitude of the vibrations passing through the sensitive element is significantly affected by such factors as dislocation phenomena that occur in the sensitive element when it is loaded, the change in the properties of the material of the source of ultrasonic vibrations associated with its aging, the temperature effect of the environment, as well as the change in the state of the contact fluid layer between the source of ultrasonic vibrations and the sensitive element. It is rather difficult to take into account the influence of these factors, since the degree of their manifestation depends on the specific conditions for measuring efforts. Therefore, under different measurement conditions with the same values of the magnitude of the efforts, the ratio of the compared amplitudes will be different.

В основу настоящего изобретения положена задача создать такой способ определения усилий, который позволил бы исключить влияние на результат измерения таких факторов, как дислокационные явления в чувствительном элементе, изменение температуры окружающей среды, изменение свойств материала источника ультразвуковых колебаний, а также изменение состояния контактного слоя жидкости. The present invention is based on the task of creating such a method of determining forces that would exclude the influence on the measurement result of factors such as dislocation phenomena in the sensitive element, a change in ambient temperature, a change in the properties of the material of the source of ultrasonic vibrations, as well as a change in the state of the liquid contact layer.

Поставленная задача решается благодаря усовершенствованию известного способа определения усилий, при котором через чувствительный элемент, представляющий собой два твердых тела с зоной контракта между ними, образованной поверхностями с заданным значением шероховатости, в направлении этой зоны пропускают ультразвуковые колебания и измеряют величину амплитуды прошедших через эту зону или отраженных от этой зоны ультразвуковых колебаний. The problem is solved due to the improvement of the known method for determining the forces, in which ultrasonic vibrations are passed through the sensitive element, which is two solids with a contract area between them, formed by surfaces with a given roughness value, and the amplitude passed through this zone is measured or ultrasonic vibrations reflected from this zone.

Усовершенствование заключается в том, что в процессе определения усилий измеряют амплитуду ультразвуковых колебаний, отраженных от сформированной в зоне распространения ультразвуковых колебаний отражающей поверхности, а величину усилий определяют по отношению величины амплитуды ультразвуковых колебаний, отраженных от этой поверхности, к величине амплитуды колебаний, прошедших или отраженных от зоны контакта тел. The improvement lies in the fact that in the process of determining the efforts, the amplitude of the ultrasonic vibrations reflected from the reflecting surface formed in the propagation zone of the ultrasonic vibrations is measured, and the force value is determined by the ratio of the amplitude of the ultrasonic vibrations reflected from this surface to the amplitude of the vibrations transmitted or reflected from the contact area tel.

Кроме того, усовершенствование заключается и в том, что в процессе определения усилий величину амплитуды ультразвуковых колебаний, отраженных от отражающей поверхности, сравнивают с заданным ее значением и при превышении этого значения уменьшают амплитуду пропускаемых через чувствительный элемент ультразвуковых колебаний, а при снижении увеличивают. In addition, an improvement lies in the fact that in the process of determining the forces, the magnitude of the amplitude of ultrasonic vibrations reflected from the reflecting surface is compared with its predetermined value and, when this value is exceeded, the amplitude of the ultrasonic vibrations transmitted through the sensor is reduced, and when it is reduced, it is increased.

Амплитуда ультразвуковых колебаний, отраженных от сформированной в зоне распространения ультразвуковых колебаний отражающей поверхности, остается постоянной величиной независимо от величины приложенных к чувствительному элементу усилий, что позволяет использовать ее в качестве опорного значения при определении усилий. При этом на величину указанной амплитуды, так же как и на величину амплитуды ультразвуковых колебаний, прошедших через зону контакта тел, влияют перечисленные выше факторы. Таким образом, при определении усилий по отношению величины амплитуды ультразвуковых колебаний, отраженных от сформированной в зоне распространения ультразвуковых колебаний отражающей поверхности, к величине амплитуды колебаний, прошедших или отраженных от зоны контакта тел, исключается влияние этих факторов на результат измерения. The amplitude of ultrasonic vibrations reflected from the reflecting surface formed in the zone of propagation of ultrasonic vibrations of the reflecting surface remains constant regardless of the magnitude of the forces applied to the sensitive element, which makes it possible to use it as a reference value in determining the forces. Moreover, the above factors affect the magnitude of the indicated amplitude, as well as the magnitude of the amplitude of ultrasonic vibrations that have passed through the contact zone of bodies. Thus, when determining the forces in relation to the magnitude of the amplitude of ultrasonic vibrations reflected from the reflecting surface formed in the propagation zone of ultrasonic vibrations, to the amplitude of the vibrations transmitted or reflected from the contact zone of the bodies, the influence of these factors on the measurement result is excluded.

Кроме того, сравнение величины амплитуды ультразвуковых колебаний, отраженных от отражающей поверхности, с заданным ее значением позволяет поддерживать величину амплитуды ультразвуковых колебаний, пропускаемых через чувствительный элемент, на заданном уровне, что исключает влияние на результат измерения усилий наличие факторов, связанных с процессом старения источника ультразвуковых колебаний, вызывающим изменение его свойств, а также изменением состояния контактного слоя жидкости. In addition, comparing the magnitude of the amplitude of ultrasonic vibrations reflected from the reflecting surface with its predetermined value allows maintaining the magnitude of the amplitude of ultrasonic vibrations transmitted through the sensor at a predetermined level, which eliminates the influence of factors related to the aging process of the ultrasonic source oscillations causing a change in its properties, as well as a change in the state of the contact layer of the liquid.

На чертеже показан общий вид устройства для определения усилий, позволяющего реализовать заявляемый способ. Стрелками на чертеже показано направление распространения ультразвуковых колебаний. The drawing shows a General view of a device for determining forces, allowing to implement the inventive method. The arrows in the drawing show the direction of propagation of ultrasonic vibrations.

Устройство содержит чувствительный элемент, представляющий собой два твердых тела, выполненных, например, в виде двух стальных цилиндров 1 и 2 с зоной контакта между ними, образованной поверхностями А и Б, имеющими заданное значение шероховатости. В цилиндре 1 выполнено углубление 3, в котором размещен направленный в сторону зоны контакта цилиндров 1 и 2 пьезопреобразователь 4. Между пьезопреобразователем 4 и цилиндром 1 имеется слой 5 жидкости, необходимой для введения ультразвуковых колебаний в чувствительный элемент. Пьезопреобразователь 4 может выполнять функции источника и приемника ультразвуковых колебаний. Между пьезопреобразователем 4 и зоной контакта цилиндров 1 и 2 сформирована отражающая поверхность, в качестве которой может быть использовано, например, плоское дно 6 глухого отверстия 7, выполненного со стороны поверхности А в цилиндре 1. Электронная часть устройства содержит импульсный генератор 8 ультразвуковых колебаний, усилитель 9, блок 10 сравнения величины амплитуды ультразвуковых колебаний, отраженных от дна 6 с ее заданным значением, и блок 11 сравнения амплитуд ультразвуковых колебаний, отраженных от дна 6 и зоны контакта цилиндров 1 и 2. The device contains a sensing element, which is two solid bodies made, for example, in the form of two steel cylinders 1 and 2 with a contact zone between them formed by surfaces A and B having a given roughness value. A recess 3 is made in the cylinder 1, in which a piezoelectric transducer 4 is placed, directed towards the contact zone of the cylinders 1 and 2. Between the piezoelectric transducer 4 and the cylinder 1 there is a liquid layer 5, which is necessary for introducing ultrasonic vibrations into the sensitive element. The piezoelectric transducer 4 can serve as a source and receiver of ultrasonic vibrations. Between the piezoelectric transducer 4 and the contact zone of the cylinders 1 and 2, a reflecting surface is formed, for example, a flat bottom 6 of a blind hole 7, made from the side of the surface A in the cylinder 1, can be used. The electronic part of the device contains a pulse generator 8 of ultrasonic vibrations, an amplifier 9, block 10 comparing the magnitude of the amplitude of ultrasonic vibrations reflected from the bottom 6 with its predetermined value, and block 11 comparing the amplitudes of ultrasonic vibrations reflected from the bottom 6 and the contact zone of the cylinders 1 and 2.

Способ осуществляют следующим образом. The method is as follows.

С помощью импульсного генератора 8 возбуждают пьезопреобразователь 4. Возникающие при этом импульсы ультразвуковых колебаний распространяются в направлении зоны контакта цилиндров 1 и 2, попадая также на плоское дно 6 отверстия 7. Отражаясь от дна 6 и зоны контакта цилиндров 1 и 2, импульсы ультразвуковых колебаний возвращаются на пьезопреобразователь 4, где преобразуются в электрический сигнал. При этом за счет разной длины пути до преобразователя 4 отраженные импульсы будут разделены по времени. Преобразованные в электрический сигнал импульсы ультразвуковых колебаний усиливают, после чего измеряют их амплитуду. При нагружении чувствительного элемента величина амплитуды импульса ультразвуковых колебаний, отраженного от зоны контакта цилиндров 1 и 2, будет меняться пропорционально приложенным усилиям, в то время как величина аплитуды ультразвуковых колебаний, отраженных от дна 6 отверстия 7, будет оставаться неизменной. По отношению величин этих амплитуд определяют величину усилий. With the help of a pulse generator 8, a piezoelectric transducer 4 is excited. Ultrasonic pulses resulting from this propagate in the direction of the contact zone of the cylinders 1 and 2, also falling on the flat bottom 6 of the hole 7. Reflecting from the bottom 6 and the contact zone of the cylinders 1 and 2, the ultrasonic vibration pulses return to the piezoelectric transducer 4, where they are converted into an electrical signal. Moreover, due to the different path lengths to the transducer 4, the reflected pulses will be separated by time. The pulses of ultrasonic vibrations converted into an electrical signal are amplified, after which their amplitude is measured. When loading a sensitive element, the magnitude of the amplitude of the pulse of ultrasonic vibrations reflected from the contact zone of cylinders 1 and 2 will change in proportion to the applied forces, while the magnitude of the amplitude of ultrasonic vibrations reflected from the bottom 6 of the hole 7 will remain unchanged. The ratio of the magnitudes of these amplitudes determines the magnitude of the effort.

Для устранения погрешностей, связанных с изменением свойств пьезопреобразователя 4 или изменением толщины контактного слоя 5 жидкости в процессе определения усилий величину амплитуды ультразвуковых колебаний, отраженных от дна 6 отверстия 7, сравнивают с ее заданным значением, в качестве которого используют значение величины амплитуды ультразвуковых колебаний, отраженных от дна 6 отверстия 7, при ненагруженном состоянии чувствительного элемента. Для этого перед началом определения усилий измеряют величину амплитуды колебаний, отраженных от дна 6, и заносит его в блок 10 сравнения. В процессе определения усилий сравнивают это значение с фактической величиной амплитуды отраженных от дна 6 колебаний. При отклонении величины амплитуды этих колебаний в сторону уменьшения или увеличения от заданного значения соответственно увеличивают или уменьшают величину амплитуды пропускаемых через чувствительный элемент ультразвуковых колебаний. To eliminate errors associated with changing the properties of the piezoelectric transducer 4 or changing the thickness of the liquid contact layer 5 in the process of determining the forces, the magnitude of the amplitude of ultrasonic vibrations reflected from the bottom 6 of the hole 7 is compared with its predetermined value, which is used as the value of the amplitude of ultrasonic vibrations reflected from the bottom 6 of the hole 7, with the unloaded condition of the sensing element. To do this, before starting to determine the efforts measure the magnitude of the amplitude of the vibrations reflected from the bottom 6, and puts it in block 10 of the comparison. In the process of determining the forces, this value is compared with the actual value of the amplitude of the oscillations reflected from the bottom 6. When the magnitude of the amplitude of these oscillations deviates in the direction of decreasing or increasing from the set value, the magnitude of the amplitude of the ultrasonic vibrations transmitted through the sensitive element increases or decreases accordingly.

Claims

1. The method for determining the forces, which consists in the fact that through the sensitive element, which is two solids with a contact zone between them, formed by surfaces with a given roughness value, ultrasonic vibrations are passed in the direction of this zone and the amplitude value of transmitted or reflected from the contact zone is measured bodies of ultrasonic vibrations, characterized in that they additionally measure the magnitude of the amplitude of ultrasonic vibrations reflected from formed in the propagation zone of ultrasonic frigged reflecting surface, and the amount of force is defined as the ratio of the amplitude of the ultrasonic vibrations reflected from said reflecting surface to the magnitude of the ultrasonic vibration amplitude of the transmitted or reflected from the body of the contact zone.

2. The method according to claim 1, characterized in that in the process of measuring the magnitude of the amplitude of the ultrasonic vibrations reflected from the reflective surface, it is compared with a predetermined value and when this value is exceeded, the magnitude of the amplitude of the ultrasonic vibrations transmitted through the sensing element is reduced, and when reduced, it is increased .