Компресійний тензометричний датчик навантаження

Реферат: Компресійний тензометричний датчик навантаження включає подовжений чутливий елемент з верхнім і нижнім наконечниками, зовнішні опорні поверхні яких є частинами, відповідно, першої і другої сфер, корпус з кабелем і герметичним електричним вводом на бічній поверхні корпуса. Чутливий елемент герметично охоплений корпусом так, що наконечники виступають назовні корпуса, а центри вказаних першої і другої сфери лежать на заздалегідь визначеній осі чутливого елемента, проведені такі вдосконалення: опорні поверхні наконечників виконані ввігнутими. Датчик додатково містить дві кулі, дві чашки з увігнутими поверхнями, які є частинами третьої і четвертої сфер, і два ущільнюючі елементи. Кулі встановлені між увігнутими поверхнями наконечників чутливого елемента й чашок. Ущільнюючі елементи встановлені між чашками і наконечниками чутливого елемента. Чашки виконані з можливістю нахилу відносно заздалегідь визначеної осі, радіуси ввігнутих поверхонь наконечників і відповідних їм чашок більше радіусів вставлених між ними куль. UA 98042 C2 (12) UA 98042 C2 UA 98042 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до вимірювальної техніки, а саме вимірювання механічної сили за допомогою компресійних тензометричних датчиків, які використовуються у різноманітних вимірювачах навантаження, зокрема ваги. Датчик, що заявляється, є особливо корисним в умовах, коли прикладання навантаження викликає деформацію конструкції, яка передає навантаження на датчик. Така ситуація виникає, наприклад, у вагах, які включають опорну платформу і декілька датчиків, які опираються на жорстку нерухому основу, і на які опирається опорна платформа. Зрозуміло, що при прикладанні навантаження, створеного вантажем, вага якого вимірюється, опорна платформа прогинається, так що її кут нахилу у точках прикладання навантаження до датчиків змінюється у порівнянні зі станом без вказаного вантажу. Відома велика кількість датчиків тензометричного типу, які, загалом, розрізняються конструкцією і поєднуються методом вимірювання, який базується на вимірюванні електричного опору резисторів, наклеєних на пружну основу або іншим способом прикріплених до цієї основи, здатної деформуватися під дією сили стиснення, що викликає зміни опору чутливих до цієї деформації резисторів. Пристрій, що заявляється, призначений, в основному, для ваг крупнотоннажних вантажів, таких як автомобілі і залізничні вагони. Найбільш близьким до заявленого тут пристрою є описаний у публікації US 4804053 (В1) від 03.09.1996 р. компресійний тензометричний датчик навантаження, який включає стовп у вигляді гантелі заздалегідь визначеної довжини, який має опуклі верхню і нижню поверхні і середню частину з симетрією відносно первісної осі стовпа, причому вказана нижня опукла поверхня є частиною поверхні першої сфери з першим радіусом і першим центром, розташованим на вказаній первісній осі, і вказана опукла верхня поверхня є частиною другої сфери з другим радіусом і другим центром, розташованим на вказаній первісній осі, сума вказаного першого радіуса і вказаного другого радіуса більше вказаної заздалегідь визначеної довжини, так що вказаний стовп є само-стабілізованим у разі розташування його у вертикальному положенні між двома суттєво горизонтальними поверхнями; тензодатчик прикріплений до вказаної середньої частини посередині між вказаними першим і другим центрами під прямим кутом до вказаної первісної осі для інтегрування деформації стискання навколо вказаного стовпа, засіб ущільнення для захисту вказаного тензодатчика від вологи і інших впливів зовнішнього середовища та засіб електричного з'єднання вказаного тензодатчика з зовнішніми відносно вказаного засобу ущільнення ланцюгами. Такі датчики навантаження використовуються практично в усіх вагах, причому основні пов'язані з датчиком складові похибки вимірювання ваги - його нелінійність та гістерезис - не перевищують 0,02-0,03 %. Але ці параметри нормуються для жорстких умов експлуатації датчика, а саме, для відхилення осі прикладання навантаження від вказаної первісної осі не більше, ніж 0,2 кутового градуса. При недотриманні цих вимог, тобто коли, наприклад, кут нахилу конструкції, що передає навантаження на датчик, та/або кут нахилу осі датчика до вертикалі такі, що кут між віссю, вздовж якої прикладається навантаження, і вказаною первісною віссю більше 0,2 кутового градуса, похибка вимірювання перевищує нормовану і збільшується зі збільшенням вказаного кута. Особливо це стосується ситуації, колинавантаження призводить до виникнення сили вигину датчика, наприклад, коли датчик розташований вертикально на горизонтальній опорі, а сила прикладається на відстані від точки перетину первісної осі датчика з верхньою опуклою поверхнею. Це накладає жорсткі вимоги до ступеня деформації опорної платформи, і відповідно, її маси. Вказана первісна ось є подовжньою віссю, вздовж якої повинне прикладатися навантаження, і яка в подальшому описі буде називатися як заздалегідь визначена вісь чутливого елемента. В основу технічного рішення, що тут заявляється, поставлена задача створення компресійного тензометричного датчика навантаження зі зниженою чутливістю до вказаних вище кутів нахилу і, внаслідок цього, зниження похибки вимірювання ваги при економічно і фізично доцільній жорсткості вказаної конструкції. Поставлена задача вирішується тим, що відомий компресійний тензометричний датчик навантаження, що включає подовжений чутливий елемент з верхнім і нижнім наконечниками, зовнішні опорні поверхні яких є частинами, відповідно, першої і другої сфер, корпус з кабелем і герметичним електричним вводом на бічній поверхні корпуса, причому чутливий елемент герметично охоплений корпусом так, що наконечники виступають назовні корпуса, а центри вказаних першої і другої сфери лежать на заздалегідь визначеній осі чутливого елемента, вдосконалений таким чином: 1 UA 98042 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 - опорні поверхні наконечників виконані ввігнутими; - датчик додатково містить дві кулі, дві чашки з увігнутими поверхнями, які є частинами третьої і четвертої сфер, і два ущільнюючі елементи; - кулі встановлені між увігнутими поверхнями наконечників чутливого елемента й чашок; - ущільнюючі елементи встановлені між чашками і наконечниками чутливого елемента; - чашки виконані з можливістю нахилу відносно заздалегідь визначеної осі; - радіуси ввігнутих поверхонь наконечників і відповідних їм чашок більше радіусів вставлених між ними куль. Досягнення технічного результату забезпечується тим, що при прикладанні сили стиснення між чашками уздовж заздалегідь визначеної осі, при їх фіксованому положенні відносно неї, вони будуть передавати цю силу на кулі, які, у свою чергу, будуть передавати його на чутливий елемент, причому кулі будуть намагатися зайняти положення з найменшою відстанню одна від одної, що відповідає положенню центрів куль на заздалегідь визначеній осі і, відповідно, стисненню чутливого елемента уздовж заздалегідь визначеної осі. Безумовно, цьому заважає тертя між кулями і ввігнутими поверхнями наконечників і чашок, яке призводить до того, що центр кулі може знаходитися не точно на заздалегідь визначеній осі, але вибором матеріалів і якістю обробки поверхонь, що труться, можна добитися того, щоб відхилення лінії прикладання сили від заздалегідь визначеної осі було не більше нормованого значення. Цьому може сприяти, наприклад, змінне навантаження, перехідні процеси тощо. У найкращому конкретному варіанті виконанні пристрою, що заявляється, для зменшення тертя ввігнуті поверхні чашок і наконечників, а також поверхні куль змащені антифрикційним мастилом. Зрозуміло, що матеріали, з яких виготовлені кулі, чашки і наконечники (принаймні в зонах ввігнутих поверхонь), повинні бути настільки твердими, щоб деформації їх форми практично не впливали на процес повертання центрів куль на заздалегідь визначену вісь. На кресленні представлений компресійний тензометричний датчик навантаження згідно з винаходом, який включає подовжений чутливий елемент 1 з верхнім 2 і нижнім 3 наконечниками, відповідні ввігнуті зовнішні опорні поверхні 4, 5 яких є частинами, відповідно, першої і другої сфер з радіусами R1 і R2, корпус 6 з кабелем 7 і герметичним електричним вводом 8 на бічній поверхні корпуса 6, причому чутливий елемент 1 герметично охоплений корпусом 6 так, що наконечники 2, 3 виступають назовні корпуса 6, а центри вказаних першої і другої сфери лежать на заздалегідь визначеній осі чутливого елемента, показаній вертикальною штрих-пунктирною лінією. Крім того, датчик містить верхню 9 і нижню 10 кулі, верхню 11 і нижню 12 чашки з увігнутими поверхнями 13 і 14, відповідно, які є частинами третьої і четвертої сфер з радіусами R3 і R4, і верхній 15 і нижній 16 ущільнюючі елементи у вигляді еластичних торів. Кулі 9 і 10 встановлені між увігнутими поверхнями 4, 5 наконечників 2, 3 чутливого елемента 1 й чашок 12, 13, а ущільнюючі елементи 14 і 15 встановлені, відповідно, між чашками 10, 11 і наконечниками 2, 3 чутливого елемента 1. Як видно з креслення, чашки 10, 11 виконані з можливістю нахилу відносно заздалегідь визначеної осі, а радіуси ввігнутих поверхонь наконечників 2, 3 (R1 і R2) і відповідних їм чашок 10, 11 (R3 і R4) більше радіусів R вставлених між ними куль. Як зазначалося вище, пристрій, що заявляється, призначений, в основному, для ваг для крупнотоннажних вантажів, таких як автомобілі і залізничні вагони. У таких пристроях використовуються декілька однакових датчиків, кожен з яких працює таким чином. Нижню чашку 12 прикріплюють до жорсткої нерухомої основи, а верхню чашку 11 - до опорної платформи, на якій розміщують вантаж, що підлягає зважуванню. Опорна платформа - це жорстке тіло великої маси, але навіть у початковому стані, тобто за відсутністю вантажу, що зважується, вона прогинається, так що верхня чашка 12 датчика, можливо, разом з кулею 9, повертається навколо осі кулі 9. Але навіть, якщо центр кулі 9 відхилився від заздалегідь визначеної осі, за рахунок сил скочування та зштовхування, які виникають при такому відхиленні, куля 9 намагається повернутися центром на вісь. При розміщенні вантажу, що зважується, на опорній платформі, кут нахилу верхньої чашки 12 збільшуються, але при відхиленні центру кулі від осі знову виникають сили скочування і стягування, які повертають кулю на місце. При прогинанні опорної платформи за рахунок зменшення відстані між сусідніми датчиками вісь датчика відхиляється від вертикалі, тобто нижній наконечник 3, можливо, разом з кулею 10, повертається навколо центра кулі 10. При цьому ситуація аналогічна тій, що описана вище, а саме, навіть при відхиленні центру кулі 10 від осі, сили скочування і зштовхування будуть намагатися повернути центр кулі 10 на вісь. Переборенню тертя між поверхнями куль 9, 10 і ввігнутими поверхнями наконечників 2, 3 і чашок 11, 12 сприятимуть зменшення різниці довжини радіусів куль і радіусів ввігнутих 2 UA 98042 C2 5 10 поверхонь наконечників і чашок, змащення цих поверхонь мастилами, велика вага опорної платформи і вантажу та перехідні процеси встановлення (наприклад, наїзду) вантажу на опорну платформу, які супроводжується коливаннями різної частоти. Таким чином, створений компресійний тензометричний датчик, у якому сила стиснення чутливого тензометричного елемента прикладається практично уздовж його осі у точках, що лежать на осі, незалежно, у необхідних межах, від кута нахилу конструкції, яка передає навантаження на датчик, і кута нахилу самого датчика відносно вертикальної осі, тобто датчик зі зниженою чутливістю до вказаних нахилів. Внаслідок цього похибка вимірювання ваги вантажу може бути знижена практично до інструментальної похибки самих датчиків, яка визначається, в основному, їх нелінійністю і гістерезисом. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 25 1. Компресійний тензометричний датчик навантаження, який включає подовжений чутливий елемент з верхнім і нижнім наконечниками, зовнішні опорні поверхні яких є частинами, відповідно, першої і другої сфер, корпус з кабелем і герметичним електричним вводом на бічній поверхні корпуса, причому чутливий елемент герметично охоплений корпусом так, що наконечники виступають назовні корпуса, а центри вказаних першої і другої сфери лежать на заздалегідь визначеній осі чутливого елемента, який відрізняється тим, що опорні поверхні наконечників виконані ввігнутими, датчик додатково містить дві кулі, дві чашки з увігнутими поверхнями, які є частинами третьої і четвертої сфер, і два ущільнюючі елементи, причому кулі встановлені між увігнутими поверхнями наконечників чутливого елемента й чашок, ущільнюючі елементи встановлені між чашками і наконечниками чутливого елемента, чашки виконані з можливістю нахилу відносно заздалегідь визначеної осі, радіуси ввігнутих поверхонь наконечників і відповідних їм чашок більше радіусів вставлених між ними куль. 2. Датчик за п. 1, який відрізняється тим, що ввігнуті поверхні чашок і наконечників, а також поверхні куль змащені антифрикційним мастилом. 3 UA 98042 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4