Устройство для измерения натяжения движущейся нити

 

Сущность изобретения устройства содержит два направляющих бесфрикционных шкива 2 и нитеводитель 3 с преобразователем перемещения, который выполнен в виде упругой мембраны 4, установленной в корпусе 5, взаимодействующей с первым торцом волоконно-оптического световода 6, второй торец которого оптически через разветвитель 9 соединен с источником 10 и приемником 11 светового излучения Расстояние z от торца световода 6 до мембраны 4 выбрано равным 1 9 R/tg, где R - радиус составляющих световод волокон - апертура световода 1 з п ф-лы 2 ип

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧ Е СК ИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 5/10 й. --- †.«вЂ”

6! з

) Q ,СЭ ! р ,C) ((ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ6СТВУ (21) 4859544/10 (22) 14.08.90 (46) 07,09,92. Бюл, ¹ 33 (75) А. Н. Карасев, С, Г. Журавлев и Г. К). ТурсуHOBB (56) А. В. Кравцов "Электрические измерения", М„Агропромиздат, 1988. с. 203-205.

Заявка Франции

N 2578050, кл. G 01 L 5/10, 1987. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗУЕРЕНИЯ НАТЯЖЕНИЯ ДВИЖУЩЕЙСЯ НИТИ (57) Сущность изобретения: устройство содержит два направляющих бесфрикционИзобретение относится к области измерительной техники. в частности к конструкции приборов для измерения сил натяжения, и может быть использовано в текстильной промышленности, Для измерения натяжения нити можно использовать известные измерители силы с тензочувствительн ы ми и реоб разователями, содержащими тензореэисторы и измерители сигналов.

Основным недостатком этих устроиств является низкая чувствительность к малым силам и существенная погрешность измерений силы, которая составляет 1-2;4 и более.

Кроме этого,тензочувствительные преобразователи обладают температурной и влажностной зависимостью.

Известно устройство для измерения натяжения движущейся нити, выбранное в качестве прототипа, содержащее две бесфрикционных шкива. подвижный нитеводитель, подвергаемый силовому воздействию. установленнь и на плоской пружине с постоянным магнитом под нитеводителем Ы» 1760403 А1 ных шкива 2 и нитеводитель 3 с преобразователем перемещения, который выполнен в виде упругой мембраны 4, установленной в корпусе 5, взаимодействующей с первым торцом волоконно-оптического световода 6, второй торец которого оптически через разветвитель 9 соединен с источником 10 и приемником 11 светового излучения. Расстояние z от торца световода 6 до мембраны

4 выбрано равным 1,9 R/tgp, где R — радиус составляющих световод волокон. à р- апертура световода. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. и гальваномагнитным преобразователем перемещения нитеводителя в величину натяжения нити, Недостатком этого устройства является недостаточная чувствительность и точность измерений, так как в нем невозможно полностью использовать высокую чувствительность преобразователя Холла, ибо в устройстве чувствительность определяется жесткостью пружины. на которой установлен нлтеводитель с постоянным магнитом.

Слабая пружина обеспечивает хорошую чувствительность, но из-за низкой виброустойчивости и "старения" пружина не обеспечивает необходимой точности измерений.

Жесткая пружина с высокой виброустойчивостью существенно снижает чувствительность к слабым силовым воздействиям на ните водитель, Кроме того, на точность измерений существенно влияет зависимость преобразователя от температуры.

Целью изобретения является повышение чувствительности и точности измерения

1760403 путем установки рефлектометрического волоконно-оптического преобразователя и выбора начальной рабочей точки.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для измерения натяжения движущейся нити, содержащем два направляющих бесфрикционных шкива и нитеводитель с преобразователем перемещения, согласно изобретению, преобразователь перемещения выполнен в виде . упругой мембраны, установленной в торце корпуса, на противоположной стороне которого перпендикулярно мембране закреплен первый торец волоконно-оптического световода, второй торец которого оптически через разветвитель соединен с источником и приемником светового излучения, причем наружная часть мембраны в ее центре жестко связана с нитеводителем.

Изобретение иллюстрируется фиг. 1 и 2.

Для расширения диапазона измерения расстояние Z< от первого торца светового до внутренней плоскости мембраны выбрано из соотношения

Ен = 1,9R/т9 р, (1) где R — радиус составляющих световод излучающих волокон;

p — апертура световода.

Выражение (1) получено следующим образом. Известно, что торцы световодов рефлектометрических волоконно-оптических преобразователей, как правило, выставляются на начальное рабочее расстояние Z< от отражающей поверхности, которое показано на фиг, 2, Для канала со случайным распределением волокон определяется из выражения

70 = R/тц 93. (г)

Для снижения погоешности преобразователя, которое зависит от линейности функции преобразования и исключения контакта торца волоконно-оптического преобразователя с отражающей поверхностью, ограничивают em перемещение следующими значениями:

0i1ZO(Ю 19ЕО, (3) где AZ — максимальное перемещение торца световода от Za.

В датчике перемещается не торец световода, а отражающая поверхность, но выражения (2) и (3) справедливы и для этого случая. Учитывая, что перемещение мембраны происходит под действием сил натяжения нити в сторону уменьшения расстояния до торца световода, можно выбрать начальную рабочую точку преобразователя не в середине, а в верхней точке его функции преобразования, увеличив при этом в 2 раза диапазон измерений. что и видно на фиг, 2, Поэтому начальное расстояние Е мы

5 предлагаем выбирать согласно выражения (1), которое получено из выражений (2) и (3), так как при этом обеспечивается квазилинейный рабочий участок с отклонением от линейной зависимости не более, чем 0,1 /,, 10 Устройство содержит контролируемую нить 1, два бесфрикционных шкива 2 для направления нити, подвижный нитеводи-. тель 3, мембраны1,корпус 5, волоконно-оптический световод b, отверстие 7 для

15 выравнивания давления, двэ отражателя 8 для снижения световой помехи, разветвитель 9, источник излучения 10, приемник излучения 1.1 и основание 12 для установки элементов устройства, 20 Бесфрикционные шкивы 2 устанавливаются на основании 12 под корпусом 5 преобразов: теля. Подвижный нитеводитель 3 жестко связан с мембраной 4 и выполнен в виде ролика с низким коэффициентом тре25 ния, ось которого установлена на уровне осей шкивов 2, чтобы обеспечить появление силы Р при натяжении нити 1. Расстояние

Z< от торца световода до мембраны 4 установлено в соответствии с выражением (1).

30 Разветвитель 9 оптически соединяет источник излучения 10 и приемник излучения 11 со световодом 6, Внутренняя сторона мембраны 4 полируется для улучшения условий отражения. Корг,*ус 5 преобразователя

35 имеет возможность поперечного перемещения по основанию 1? для установки оси нитеводителя 3 относительно оси шкивов 2 и не должен пропускать световую помеху.

40 Устройс во работае сг едующим образом.

Нить 1 пропускается через шкивы 2 и нитеводитель 3. Когда нет натяжения нити, то нет силы Р, т.е. нитеводитель 3 не воздей45 ствует нэ мембрану 4 и поэтому расстояние от тооца световода до мембраны 4 соответствует начальному, а на выходе приемника излучения вырабатывания сигнал, соответсгвующий нулевому значению натяжения

60 нити.

При включении устройства протяжки нити 1, которое не показано на фиг, 1, движущаяся нить 1 оказывает силовое воздействие Р, пропорциональное натяжению, на

55 нитеводитель 3, вызывая деформацию мембраны 4 в сторону торца световода 6, уменьшая расстояние Z> и модулируя отраженный световой поток, попадаемый на торец световода 6., о поверхности мембраны 4.

1760403

Большая крутизна функции преобразования обеспечивает датчику высокую чувствител ьность, а выбор начального расстояния увеличивает диапазон измерения в два раза, что хорошо видно на фиг. 2. 5

Глубина модуляции отраженного светового потока и амплитуда электрического сигнала с фотоприемника 11 пропорциональны натяжению нити. Для регистрации и отображения значений натяжения нити 10 можно использовать любой измеритель электрических сигналов, отвечающий необходимым требованиям измерений.

В качестве мембраны в устройстве использована плоская мембрана из бериллие- 15 вой бронзы, т.е, она проста по конструкции и обладает малой инерционностью, а также в результате сферической деформации повышает чувствительность датчика из-за увеличения рассеивания отраженного 20 светового потока. Толщина мембраны определяет диапазон измеряемых натяжений, В качестве световода выбран волоконно-оптический световод со случайным распределением волокон с радиусом общего 25 торца 3 мм, радиусом R излучающих волокон равным 50 мкм и апертурой p = 30 .

В соответствии с выражением (1), начальное расстояние Zp выставлено равным

165 мкм (0,165 мм). 30

B качестве источникаизлучения использовался инфракрасный светодиод типа АЛ

107Б, а в качестве приемника излучения фотодиод типа ФД-256.

В диапазоне измерений 0-400 сН с ни- 35 тями иэ хлопкового волокна тонковолокнистых сортов с линейной плотностью 5-20 текс и хлопкового волокна с линейной плотностью 0,12-0,14 текс погрешность измерений предлагаемого датчика не превышала 40

0,2;, а в прототипе она составляет 2-5 ф,, из-эа большой погрешности преобразования датчика Холла (1-2 /,), т.е. точность измерения предлагаемого датчика более чем в 10 раз превышает точность прототипа. 45

Для сравнения чувствительности прототипа и настоящего устройства сравним крутизну функции преобразования используемых в них преобразователей, так как крутизна преобразования наиболее наглядно характеризует чувствительность преобразователя, Чувствительность преобразователей Холла при измерении постоянных магнитных полей в зависимости от конструкции колеблется от 1 до 2,5 В на 1 Тл, т.е, крутизна функции преобразования на линейном участке составляет 45-68, крутизна преобразования предлагаемого датчика превышает 80 (фиг. 2).

Кроме этого, надо учесть, что чувствительность прототипа снижается инерционностью пружины с закрепленным на ней магнитом, поэтому при малой инерционности плоской мембраны чувствительность данного устройства дополнительно несколько увеличивается и будет в 1,5-2 раза выше, чем у прототипа.

Формула изобретения

1, Устройство для измерения натяжения движущейся нити, содержащее два направляющих бесфрикционных шкива и нитеводитель с преобразователем перемещения, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что. с целью повышения чувствительности и точности измерения, преобразователь перемещения выполнен в виде упругой мембраны, установленной в торце корпуса, на противоположной стороне которого перпендикулярно мембране закреплен первый торец волоконно-оптического световода, второй торец которого оптически через разветвитель соединен с источником и приемником. светового излучения, причем наружная часть мембраны в ее центре жестко связана с нитеводителем.

2. Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью расширения диапазона измерения, расстояние ZH от первого торца световода до внутренней плоскости мембраны выбрано из соотношения

Лн = 1,9R/tg р, где R — радиус торца составляющих световод излучающих волокон;

p — апертура световода.

1760403

Ap) аж у

4р

Составитель A,Êàðýñåâ

Техред M.Moðãåíòàë Корректор.И.Шулла

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул.Гагарина, 101

Заказ 3181 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5