Крутильные весы

 

Изобретение относится к устройствам для измерения малых сил, а именно к крутильным весам, и может быть использовано в научных исследованиях при измерении малых сил, действующих на различные объекты , в электрических магнитных и гравитационных полях. Крутильные весы содержа подвешенное к опоре на торсионе коромысло и устройство измерения угла ззкруч пания, которое выполнено в виде двух емкостных датчиков смещения, каждый из которых состоит из двух параллельно соединенных и симметрично расположенныхотносительно оси вращения конденсаторов, подвижные пластины которых закреплены на коромысле. Принцип действия весов основан на измерении емкости конденсаторов первого и второго датчиков. По разности их показаний судят о величине угла закручивания коромысла и о силе, воздействующей на его плечо. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) 5

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4628953/10 (22) 30.12.88 (46) 28.02.91. Бюл. М 8 (71) Институт синтетических полимерных материалов АН СССР (72) С,Г,Смирнова, Л.Н.Григоров и Д.Н.Рогачев (53) 681.261 (088.8) (56) Калинников В.Т. и Ракитин Ю.В. Введение в магнетохимию. Метод статической магнитной восприимчивости в химии.

M. Наука, 1980, с,49 — 50.

Тютикова M,È. Весы для измерения малых масс. М.: Стандартгиз, 1960; с.17. (54) КРУТИЛЬНЫЕ ВЕСЫ (57) Изобретение относится к устройствам для измерения малых сил, а именно к крутильным весам, и может быть использовано

Изобретение относится к устройствам для измерения малых сил, а именно к крутильным весам, и может быть использовано в научных исследованиях при измерении малых сил, действующих на различные объекты в электрических, магнитных и гравитаЦИОННЫХ ПОЛЯХ.

Цель изобретения — повышение точности весов.

На фиг.1 изображена кинемат:" еская схема; на фиг.2 — электрическая блок-схема крутильных весов; на фиг.3 — принцип измерения углового смещения коромысла при действии на образец горизонтальной силы . и одновременном плоском смещении коромысла, вид сверху на подвижные и неподвижные пластины емкостных датчиков.

ÄÄ5UÄÄ 1631308 А1 в научных исследованиях при измерении малых сил, действующих на различные объекты, в электрических магнитных и гравитационных полях. Крутил ьн ые весы содержат подвешенное к опоре на торсионе коромысло и устройство измерения угла закручивания, которое выполнено в виде двух емкостных датчиков смещения, каждый из которых состоит иэ двух параллельно соединенных и симметрично расположенныхотносительно оси вращения конденсаторов, подвижные пластины которых закреплены на коромысле. Принцип действия весов основан на измерении емкости конденсаторов первого и второго датчиков. По разности их показаний судят о величине угла закручивания коромысла и осиле,,воздействующей на его плечо. 3 ил, Сущность изобретения заключается в следующем. Поскольку каждый емкостный датчик из двух параллельных конденсаторов, неподвижные пластины которых, относящиеся к одному емкостному датчику, расположены по разные стороны от вертикальной плоскости, проходящей через подвижные пластины данного датчика, закрепленные на разных плечах коромысла, то при плоском смещении всего коромысла на величину д, (фиг.3) расстояние между парой пластин одного конденсатора возрастает на д и его емкость уменьшается, в то время как расстояние между парой пластин второго конденсатора, входящего в этот же емкостный датчик, уменьшается на д, и его емкость возрастает, При равенстве исходных емкостей обоих параллельно соединено

Сд)

Сд

С) (QO !

1 ! °

1631308 ных конденсаторов датчика, которого добиваются юстировкой расстояния между обкладками, значение емкости этого датчика

С1 (которое равно сумме емкостей двух конденсаторов) связано с углом поворота на малый угол а(фиг,3) и одновременным плоским смещением на расстояние

+д (д«б j) следующим образом

С б1 1 1

2 (dl+аГЫ %+а1 =О ) д2

=(1 . v )С, Ж d< (1) где С 1 — значение емкости первого датчика при выклю енном источнике внешней сил ы, d1 расстояние межДg подвижными и неподвижными пластинами конденсаторов, входящих в этот емкостной датчик, при выключенном источнике внешней cuil bl;

Q — угол закручивания коромысла;

1 — длина плеча коромысла.

Поскольку для регистрации смещения используется два емкостных датчика, причем относящиеся к различным датчикам неподвижные пластины, установленные у одного и того же плеча коромысла, закреплены по разные стороны от вертикальной плоскости, проходящей через подвижные пластины одного датчика, то при повороте коромысла на угол а, в результате которого емкость первого датчика уменьшается (1), емкость Cz второго датчика увеличивается, так как расстояние между его подвижными и неподвижными пластинами уменьшается на а 1 (фиг,З). Поэтому при повороте коромысла на угол а и одновременном плоском смещении на + д(д «б2), значение емкости этого датчика равно

С2 б2 1 1 2 QL 62

С2(1+ + ) а1 д2

d2 б (2) где С 2 — значение емкости второго датчика при выключенном источнике внешней силы; б2 — расстояние между подвижными и неподвижными пластинами конденсаторов, входящих в этот датчик, при выключенном источнике внешней силы.

Поскольку блок вычитания сигналов вычисляет разность значений емкости двух датчиков, то результат вычитания А С связан с величинами С1 и Cz следующим образом

AC==Cz — C1=С вЂ” С +2at (— + — )+

С2 С1 б2 di (3) бт б2

При юстировке расстояний di и dz, которую производят при выключенном источнике внешней силы (т.е. при a=0), добиваются равенства нулю показаний блока вычитания сигналов ЛС, поэтому из уравнения (3) следует, что:

10 c3 cf д@с2 с1) (4) б2 б1. Подставляя равенство (4) в уравнение (3), получаем

15 ЛС =2 (СУ+ С )+ б2 б1 (5) При равенстве di=dz=d (которого достигают предварительной юстировкой датчиков после закрепления образца на коромысле и успокоения последнего в положении равновесия) выражение (5)

25 можно записать в виде

2 2 лс =, (с,+с,) (а+ — „—

30 C -С

X ,. 1 (6) 2 (д — д,) С, — С „С; — С1

« «1, 2(- d С2+С 1 С2+С 1

45 (7) Вторая часть неравенства выполняется за счет юстировки датчиков смещения, в результате которой С 2 — С 1 устремляется к нулю.

В итоге при плоском смещении коромысла показания обоих датчиков взаимно компенсируют друг друга, что приводит к эффективному подавлению вклада пло55 ских колебаний и значительному повышению чувствительности весов плоских к крутильным смещениям, Пренебрегая слагаемым, содержащим флуктуационное смещение +д „из (6) получаем, что

Таким образом, второе слагаемое в квадратных скобках, которое пропорционально флуктуационному плоскому смещению -д, в качестве коэффициента пропорциональности содержит малый мно40

1631308 искомый угол поворота коромысла а будет равняться (при С 1 = С 2) а = - (- .

ЛС

®

Г1

Бесы состоят из неподвижной платформы 1 с кронштейном 2, к которому с помощью торсиона 3 свободно подвешено коромысло 4, снабженное системой 5 крепления образца 6 в зоне действия внешней силы, создаваемой, например, электромагнитом 7. На коромысле по обе стороны от его оси вращения вертикально закреплены и электрически соединены между собой четыре заземленные металлические пластины

8 — 11, являющиеся подвижными обкладками двух емкостных датчиков. Соответствующие неподвижные пластины 12 — 15 тех же датчиков закреплены на платформе 1, причем неподвижные пластины 13 — 15 оснащены устройствами 16 — 18 регулировки расстояния между неподвижными пластинами 13 — 15 и подвижными 9 — 11 соответственно. Таким образом, первый емкостной датчик смещения включает в себя два кон денсатора, образованных йластинами 8 и

12, 10 и 14, а второй — пластинами 9 и 13, 11 и 15. Весы снабжены коммутирующим устройством с переключателями 19 — 22 для подключения неподвижных пластин датчиков к устройству 23 попеременного подключения указанных пластин к входу блока измерения емкости 24. Выход блока 24 подключен к входу блока вычитания 25. Его выход подключен к системе регистрации

26. Тактовый генератор 27 подключен к управляющим входам устройства 23 и блока

25. В рабочем режиме переключатели 19 и

21 замкнуты, поэтому конденсаторы, входящие в один и тот же емкостной датчик, соединены параллельно.

Весы работают следующим образом.

В исходном состоянии источник внешней силы (электромагнит) 7 выключен. После закрепления образца 6 на коромысле 4 и успокоения последнего в положении равновесия, показанном на фиг.3 сплошной линией, осуществляют попеременное подключение неподвижных пластин 12 — 15 с помощью переключателей 19 — 22 и устройства 23 к блоку 24, измеряя тем самым значение емкости каждого из четырех конденсаторов, образованных перечисленными неподвижными пластинами и подвижными пластинами 8-11 соответственно. С помощью устройств регулировки 16 — 18 добиваются такого положения пластин 13 — 15, чтобы емкости всех четырех укаэанных конденсаторов были равны. После этого устройство попеременного подключения 23

55 переводят в положение, в котором оно по сигналам от тактового генератора 27 поочередно подключает то один, то другой емкостной датчик смещения к блоку 24. При этом неподвижные пластины каждого датчика электрически соединены между собой. Одновременно по сигналам от генератора 27 блок вычитания 25 вычисляет значение разностной емкости двух емкостных датчиков.

В результате в конце каждого цикла переключения емкостных датчиков и блока вычитания 25 система регистрации 26 регистрирует нулевой сигнал, так как емкости датчиков смещения при выключенном источнике внешней силы равны между собой С 1 = С . Затем включают источник внешней силы 7, которая действует в направлении, указанном на фиг.3 стрелкой, на обрезец 6 и вызывает закручивание коромысла 4 на торсионе 3 на угол а(пунктир на фиг.3 — новое равновесное положение коромысла), пропорциональный внешней силе.

Это закручивание приводит к такому изменению емкостей датчиков смещения, что емкость одного датчика увеличивается на величину Л С/2, а другого уменьшается на ту же величину, поэтому разность емкостей двух датчиков смещения составляет величину Л С. В результате вычитания сигналов от датчиков смещения на выходе блока 25 появляется ненулевой сигнал Л С (однозначно связанный с углом поворота а), регистрируемый системой регистрации 26.

Поскольку величины L и dl=d 2=d являются известными константами прибора, то вызванный внешней силой угол закручивания коромысла а рассчитывают по измеренным значениям Л С и С = C с помощью выражения (8). О величине действующей на образец внешней силы судят при помощи коэффициента пропорциональности между внешней силой и углом закручивания коромысла, который устанавливается путем калибровочных измерений и является константой прибора.

Формула изобретения

Крутильные весы, содержащие подвешенное к опоре на торсионе коромысло и устройство измерения угла закручивания, о тл и ч а ю- . щ и е с я тем, что, с целью повышения точности, устройство измерения угла закручивания выполнено в виде двух емкостных датчиков смещения, каждый из которых состоит из двух параллельносоединенныхисимметрично pBcflQlloженных относительно оси вращения коромысла конденсаторов, вертикальные подвижные пластины которых закреплены на коромысле, а вертикальные неподвижные пластины связаны с.1631308 входом блока измерения емкости, выход которого соединен с первым входом блока вычитания, выход которого соединен с входом системы регистрации, а второй вход — с первым выходом тактового генератора. второй выход которого соединен с в:. >-дом устройства попеременного подключения пластин.

1631308

Составитель В, Гурецкий

Редактор И, Сегляник Техред М.Моргентал Корректор М, Максими.зинец

Заказ 535 Тираж 326 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР, 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Ф

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина I О l