Крутильные весы — SU 1631308 (original) (raw)
СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 631308 А 1 ЗОБ ИСАНИ Т И К АВТОРСКО ИДЕТЕЛЬСТВ ООГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР(71) Институт синтетических полимерных материалов АН СССР(56) Калинников В.Т, и Ракитин Ю.В. Введение в магнетохимию. Метод статической магнитной восприимчивости в химии. М.: Наука, 1980, с,49 - 50.Тютикова М,И. Весы для измерения малых масс, М.: Стандартгиз, 1960; с.17.(57) Изобретение относится к устройствам для измерения малых сил, а именно к крутильным весам, и может быть использовано Изобретение относится к устроиствамдля измерения малых сил, а именно к крутильным весам, и может быть использованов научных исследованиях при измерениималых сил, действующих на различные объекты в электрических, магнитных и гравитационных полях,Цель изобретения - повышение точности весов,На фиг.1 изображена кинемат:" ескаясхема; на фиг.2 - электрическая блок-схемакрутильных весов; на фиг.З - принцип измерения углового смещения коромысла придействии на образец горизонтальной силы, и одновременном плоском смещении коромысла, вид сверху на подвижные и неподвижные пластины емкостных датчиков. при измерении а различные объитных и гравитае весы содержат рсионе коромысугла закручивао в виде двух ения, каждый из раллельно соедн- оложенныхотноконденсаторов, рых закреплены йствия весов оссти конденсатодатчиков, По ят о величине уга и о силе, воэЗил,в научных исследованиях малых сил, действующих н екты, в электрических магн ционных полях. Крутильны подвешенное к опоре на то ло и устройство измерения ния, которое выполнен емкостных датчиков смещ которых состоит из двух па ненных и симметрично расп сительно оси вращения подвижные пластины кото на коромысле. Принцип де нован на измерении емко ров первого и второго разности их показаний суд ла закручивания коромысл действующей на его плечо,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.З) 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 соединен 1631308ных конденсаторов датчика, которого добиваются юстировкой расстояния между обкладками, значение емкости этого датчикаС 1 (которое равно сумме емкостей двухконденсаторов) связано с углом поворота на малый угол а(фиг,З) и одновременным плоским смещением на расстояние(1)где С 1 - значение емкости первого датчика при выклю 1 енном источнике внешней силы,б 1 расстояние межДу ПОДвижными инеподвижными пластинами конденсаторов, входящих в этот емкостной датчик,при выключенном источнике внешней сипы;а - угол закручивания корбмысла;1 - длина плеча коромысла.Поскольку для регистрации смещения используется два емкостных датчика, причем относящиеся к различнымдатчикам неподвижные пластины, установленные у одного и того же плечакоромысла, закреплены по разные стороны от вертикальной плоскости, проходящей через подвижные пластиныодного датчика, то при повороте коромысла на угол а, в результате которогоемкость первого датчика уменьшается(1), емкость С 2 второго датчика увеличивается, так как расстояние между его подвижными и неподвижными пластинамиуменьшается на а 1 (фиг,З). Поэтому приповороте коромысла на угол а и одновременном плоском смещении на + д( д б 2),значение емкости этого датчика равноС 2 б 2 112 бг - а.ч % .жю 1- С 2(1 + - + - ),а д 2б 2 б 2(2)где С 2 - значение емкости второго датчикапри выключенном источнике внешней силы;б 2 - расстояние между подвижными инеподвижными пластинами конденсаторов,входящих в этот датчик, при выключенномисточнике внешней силы.Поскольку блок вычитания сигналов вычисляет разность значений емкости двух датчиков, то результат вычитания А С связан свеличинами С 1 и С 2 следуощим образомЛС:= С - С 1 = С - С+2 а 1 ( - + - )+С 2 С 1б 2 б 1(3)б 1 б 2При юстировке расстояний б 1 и б 2, которую производят при выключенном источнике внешней силы (т.е, при а=О), добиваются равенства нулю показаний блока вычитания сигналов ЛС, поэтому из уравнения(З) следует, что: ОС 1 С 1) (4б(5) 20 При равенстве б 1= - б 2=б (которого достигают предварительной юстировкой датчиков после закрепления образца на коромысле и успокоения последнего в положении равновесия) выражение (5) 25 можно записать в виде2 2 дс= , (с;+с;) а+ - ;+х(6)Таким образом, второе слагаемое в квадратных скобках, которое пропорционально флуктуационному плоскому смещению д, в качестве коэффициента пропорциональности содержит малый мно житель, который при дб;2 (д д о) С 2 С 1 С 2 С 11,2 1 б Со . Со Со 1 Со 45Вторая часть неравенства выполняется за счет юстировки датчиков смещения, в результате которой С 2 - Со 1 устремляется 50 к нулюВ итоге при плоском смещении коромысла показания обоих датчиков взаимно компенсируют друг друга, что приводит к эффективному подавлению вклада пло ских колебаний и значительному повышению чувствительности весов плоских к крутильным смещениям, Пренебрегая слагаемым, содержащим флуктуационное смещение +д из (6) получаем, чтоискомый угол поворота коромысла а будет равняться (при СО 1 = С О 2)а = ЛСС 1Весы 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 конденсатора, 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, соединеныпараллельно.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,З 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 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 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 2 . Затем включают источник внешней силы 7, которая действует в направлении, указанном на фиг.З стрелкой, на обрезец 6 и вызывает закручивание коромысла 4 на торсионе 3 на угол а(пунктир на фиг.З - 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 величиныи о 1=о 2=0 являются известными константами прибора, то вызванный внешней силой угол закручивания коромысла а рассчитывают по измеренным значениям Л С и СО 1 = СО 2 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 ющ 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 расположенных относительно оси вращения коромысла конденсаторов, вертикальные подвижные пластины которых закреплены на коромысле, а вертикальные неподвижные пластины связаны свходом 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 вх -дом устройства попеременногоподключения пластин.1631308 Составитель В, Гурецкийедактор И, Сегляник Техред М,Моргентал Корректор М, Максими.зине каз 535 Тираж 326 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 КНТ ССС Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина0