RU2850196C1 - Датчик натяжения нити - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к текстильной промышленности и используется для измерения силы натяжения нитей при их изготовлении, намотке, перемотке и при исследованиях прочности нитей. Датчик натяжения нити состоит из упругого элемента и закрепленного на нем монолитного моста из тензорезисторов, при этом тензорезисторы выполнены фольговые или полупроводниковые, а упругий элемент состоит из 2-х параллельных профилированных с внутренней стороны и защемленных по концам балок, одна из которых пассивная, а другая активная, при этом в упругом элементе сформированы четыре симметрично расположенных сквозных отверстия, объединенных пазом, при этом тензорезисторы располагаются над отверстиями на плоской поверхности активной балки и образуют монолитный мост, на ней также закреплены три узла фиксации нити, два из которых высокие и расположены по центру заделок, перпендикулярно плоскости активной балки, и один низкий, расположен в центре этой же балки, при этом два тензорезистора противоположных плеч моста, расположенных рядом с центральным узлом фиксации нити, симметричны продольной и поперечной осям балки и изготовлены в виде двух одинаковых электрически связанных частей сопротивлением R/2 каждая, при этом высота двух высоких узлов фиксации нити выполнена такой, чтобы углы α, при введении в них нити через центральный узел фиксации, между нитью и плоскостью балки составляли величину 7±0,5°, что обеспечивает простоту, надежность и универсальность датчика, а также быструю установку и снятие датчика. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

Description

Изобретение относится к текстильной промышленности, а конкретно - к измерению силы натяжения нити при ее изготовлении, намотке и перемотке. Известен датчик (Д), который может быть использован для этих целей [1]. В нем нить должна быть вставлена в специальную рамку так, чтобы петля нити была с другой стороны рамки. В зазор петли между рамкой и нитью следует ввести миниатюрную балку с мостом полупроводниковых тензорезисторов (TP). При натяжении нити силой Т петля нити давит на балку, деформируя ее и мост ТР. В результате на выходной диагонали, при питании моста постоянным напряжением, формируется сигнал пропорциональный натяжению нити Т. К недостаткам Д можно отнести необходимость выполнения ювелирных операций по введения в рамку петли нити и точной установке Д под нитью, что требует много времени и опытных операторов, а также низкую точность, т.к. она зависит от диаметра нити, правильной установке Д под нитью, его нагреве при движении нити и ее трении о края рамки и защитной оболочки Д.

Наиболее близким, по простоте установке Д и схеме нагружения упругого элемента (УЭ) силой натяжения нити, представляется Д, описанный в [2]. Он легко и просто монтируется непосредственно на нити без нарушения ее целостности. Здесь УЭ выполнен в форме пространственно-изогнутой балки, в средней части которой наклеен монолитный мост тензорезисторов (ММТ), а концевые участки балки отогнуты так, что в плане она имеет S-образную форму. При натяжении нити силой Т балка деформируется и на выходе моста формируется сигнал пропорциональный Т. У этого Д недостатки такие же, как у предыдущего, а его низкую точность при измерениях натяжения нитей различного ∅, можно объяснить так: градуировка Д производится на определенном диаметре нити, и, если использовать нить другого ∅, то балка будет деформироваться иначе и выходной сигнал будет отличаться от сигнала при его градуировке.

Целями предполагаемого изобретения является создание недорогого, надежного, легко устанавливаемого и точного Д для измерения натяжения нитей разного ∅, различного происхождения и назначения-без проведения каких -либо дополнительных градуировок.

Указанные цели достигаются тем, что УЭ выполнен в форме симметричной рамы, состоящей из 2-х параллельных, профилированных с внутренней стороны и защемленных по концам балок, на плоской поверхности одной из них закреплен монолитный мост из фольговых или полупроводниковых TP и три узла фиксации (УФ) нити, два из которых-«высокие»-расположены по центу заделок перпендикулярно плоскости активной балки и один-«низкий», расположенный в центре этой же балки; и тем, что высота двух УФ выполнена такой, чтобы углы , при введении в них нити через центральный УФ, между нитью и плоскостью балки, где закреплен ММТ, составляли величину 7±0,5; и тем, что ММТ из фольги или кремния р⁺типа выполнен в новой конфигурации, где два TP противоположных плеч моста, расположенных рядом с центральным УФ, симметричны продольной и поперечной осям балки и изготовлены в виде двух одинаковых, электрически связанных частей, сопротивлением R/2 каждая; а также тем, что УЭ, из алюминиевого сплава Д16Т с ММТ из фольги в сравнении с УЭ из титанового сплава типа ВТ-9 с ММТ из кремния р⁺типа, при их одинаковой толщине и ширине, имеет в два раза большую длину, при этом, оба УЭ имеют одинаковый вес менее 1,5 г.

Описание и техническая сущность изобретения сводится к следующему. Предварительно УЭ со стороны второй балки закрепляется на опорной стойке 5; затем нить 7, через три узла фиксации 6, снабженных прорезями для ввода нити, вводится в эти узлы. Таким образом нить связывается с центром балки и с плоскостью балки образует углы

Такая величина была определена экспериментально и обусловлена, с одной стороны - минимальными силами трения нити в УФ, а с другой, - необходимостью формирования силы F такой величины, которая будет достаточно - устойчивой для ее измерения. Результирующая сила F связана с усилием натяжением нити Т соотношением . Эта сила деформирует УЭ и активную балку I, а также вызывает реакцию F_p в опоре датчика и пассивной балке II. УЭ может изготавливаться из алюминиевого сплава Д16Т (тогда используют ММТ из константановой фольги), либо из титанового сплава типа ВТ-9 (в этом случае используют ММТ из кремния р⁺типа на подложке из сапфира).

В УЭ сформированы 4-е симметрично расположенных сквозных отверстия d = 3 мм, объединенных пазом высотой 1 мм. Все шесть TP располагаются над отверстиями в местах утонения балки: в местах наибольших механических напряжений, где деформации максимальны. При воздействии силы F, в центре балке возникают 2-е зоны положительных и у заделок 2-е зоны отрицательных деформаций, которые воспринимаются TP моста. С учетом этих соображений сформирована новая топология ММТ, где R₁ и R₃ располагаются у заделок в 2-х зонах отрицательных деформаций, a R₂ и R₄, расположенные в 2-х зонах положительных деформаций, формируются из 2-х электрически связанных частей по R/2 каждая.

На Фиг. 1 показан вид спереди и сверху Д - аналога, по [1]. На Фиг. 2 - такие же виды для Д-прототипа по [2]. На Фиг. 3 - вид спереди на предлагаемый Д с нитью натянутой силой Т.

На Фиг. 4 - схема распределения сил при натяжении нити силами Т и результат их воздействия на балки УЭ: результирующая сила F, действующая на активную балку I и реактивная сила F_p - на пассивную балку II; а также эпюра изгибающих напряжений ± и для не профилированной балки I (пунктир - для профилированной балки) под действием силы F. На Фиг. 5 - схема топологического рисунка ММТ, пригодная для фольгового и полупроводникового вариантов их изготовления. На Фиг. 6 - электрическая схема предлагаемого Д: здесь каждый из TP (R₂ и R₄) разбит на 2-е равные части. На Фиг. 7 - внешний вид предлагаемого Д со встроенной нитью натянутой силой Т, балкой I, нагруженной результирующей силой F, и балкой II, нагруженной реактивной силой F_p, при этом F = |F_p|.

Обозначения, принятые на фигурах:

I, II - балки УЭ; - угол между нитью и балкой I; Т - сила натяжения нити; F - сила, действующая на I-ю балку УЭ; расчетная длина балки; - максимальные напряжения для не профилированной балки I (для профилированной - они меньше: см. Фиг 4); F_p - реактивная сила, действующая на балку II; - ширина, длина и толщина УЭ (фольговый вариант: объем УЭ V_ф = 0,4 х 2,8 х 0,4 = 0,45 см³, полупроводниковый вариант: V_п = 0,4 х 1,4 х 0,4 = 0,22 см³); Р - вес УЭ (для Д16Т: где - удельный вес сплава УЭ; для ); d = 3 мм - диаметр четырех отверстий на боковой поверхности УЭ; R₁, R₂, R₃, R₄ - сопротивления TP; (1-3) - клеммы питания моста, (2-4) - клеммы измерения выходного сигнала; деформация растяжения, деформация сжатия; (а-а') - продольная и (б-б') - поперечная ось активной балки с ММТ; 5 - опорная стойка для крепления УЭ; 6 - узлы фиксации (УФ); 7 - нить; 8 - УЭ. Д работает следующим образом: при натяжении нити усилием Т к УЭ прикладывается сила , которая деформирует ММТ, и при питании моста постоянным напряжением на выходной диагонали формируется сигнал пропорциональный силе F, по которому судят о величине силы натяжения нити Т.

Преимущества предлагаемого Д сводятся к следующему:

1. Простота конструкции, надежность и точность за счет однозначной передачи силы натяжения нити Т к балке и от нее деформаций к ТР.

2. Возможность быстрой, без проблем и травмирования нити ее установка в трех УФ датчика.

3.Пригодность Д для измерения нитей любой природы, состава и происхождения, а также любого ∅, если он меньше внутреннего ∅ УФ.

Источники информации, использованные автором

1. Авт. свид. СССР №456611 М.кл. А61 в 5/10.

2. Авт. свид. СССР №429804 М.кл. А61 в 5/10.

Claims (2)

1. Датчик натяжения нити, состоящий из упругого элемента и закрепленного на нем монолитного моста из тензорезисторов, отличающийся тем, что тензорезисторы выполнены фольговые или полупроводниковые, а упругий элемент состоит из 2-х параллельных профилированных с внутренней стороны и защемленных по концам балок, одна из которых пассивная, а другая активная, при этом в упругом элементе сформированы четыре симметрично расположенных сквозных отверстия, объединенных пазом, при этом тензорезисторы располагаются над отверстиями на плоской поверхности активной балки и образуют монолитный мост, на ней также закреплены три узла фиксации нити, два из которых высокие и расположены по центру заделок, перпендикулярно плоскости активной балки, и один низкий, расположен в центре этой же балки, при этом два тензорезистора противоположных плеч моста, расположенных рядом с центральным узлом фиксации нити, симметричны продольной и поперечной осям балки и изготовлены в виде двух одинаковых электрически связанных частей сопротивлением R/2 каждая, при этом высота двух высоких узлов фиксации нити выполнена такой, чтобы углы α, при введении в них нити через центральный узел фиксации, между нитью и плоскостью балки составляли величину 7±0,5°.

2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, упругий элемент выполнен из алюминиевого сплава Д16Т или из титанового сплава ВТ-9.