СИЛОИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1995 года по МПК G01L1/04 

Изобретение относится к силоизмерительной технике и может использоваться для измерения сил, давлений, переменного веса содержимого технологических емкостей периодической загрузки в условиях значительных перепадов температур.

Известен датчик силы, выполненный с использованием внутреннего кольца, на внутренних выступах которого параллельно один другому и симметрично его горизонтальной плоскости симметрии жестко закреплены два дисковых пьезокварцевых резонатора. Сверху и снизу от внутреннего кольца симметрично относительно его горизонтальной плоскости симметрии размещены два одинаковых внешних цилиндрических упругих кольца, соединенных с внутренним кольцом коническими перемычками [1] Датчик позволяет измерять механические усилия.

Недостатком данного датчика является значительная погрешность измерений в условиях значительного (20 100^оС) перепада температур на поверхности приложения силы и больших силовых нагрузок.

Известно также силоизмерительное устройство, содержащее упругий элемент в виде стержня, консольно закрепленного одним концом в корпусе, а свободным концом связанного с силовводящим элементом. Силовводящий элемент установлен в направляющих, размещенных в корпусе, и снабжен двумя симметрично расположенными относительно него выступами, при этом на свободном конце стержня симметрично и с наклоном в разные стороны относительно его оси выполнены соответствующие пазы [2]
Данное устройство позволяет измерить усилие, приложенное к его силовводящему элементу.

Недостатком устройства является то, что при значительных изменениях температур (в диапазоне 20 200^оС) показания данного устройства будут иметь большую температурную погрешность. Кроме того, оно работоспособно лишь при сжимающих усилиях.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство [3] содержащее силовводящий и опорный элементы, имеющие форму параллелепипедов, жестко прикрепленных к поверхности опоры, деформация которой подлежит измерению. При этом конструкция силовводящего и опорного элементов одинакова.

С силовводящим элементом жестко связан термокомпенсирующий элемент, выполненный в виде стержня, другим концом связанный с чувствительным регистрирующим элементом, и расположенный параллельно и как можно более близко к поверхности опоры. Причем термокомпенсирующий элемент помещен в специальный кожух, заполненный теплопроводящим слоем, а материал, из которого выполнен сам термокомпенсирующий элемент, по своим физико-механическим свойствам совпадает с материалом опоры.

Данное устройство позволяет измерять деформацию опоры, пропорциональную приложенной к ней силе, и частично компенсировать температурные перепады в самой опоре.

Недостатками устройства является то, что его можно устанавливать лишь там, где возможно крепление данного устройства, вплотную к опоре. Кроме того, данное устройство не может обеспечить высокой точности измерения, так как процесс термокомпенсации не будет полным, а возникающие изгибы термокомпенсирующего стержня под действием различных факторов приведут к появлению тангенциальных составляющих искомых сил.

Изобретение решает задачу создания точного технологичного, с широким спектром применения и простого в эксплуатации силоизмерительного устройства, работающего в условиях значительного перепада температур, осуществляющего измерения путем регистрации осевых упругих деформаций, возникающих в опорах технологических емкостей или других установок под действием искомых сил.

Целью изобретения является повышение точности измерительного процесса и расширение области применения.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройство, содержащее силовводящий и опорный элементы, закрепленные жестко на опоре, термокомпенсирующий элемент, материал которого по физико-механическим свойствам совпадает с материалом опоры, один конец термокомпенсирующего элемента жестко связан с силовводящим элементом, а другой соединен с чувствительным регистрирующим элементом, который жестко закреплен на опорном элементе, введены жестко закрепленные на опоре направляющие, в которых размещен термокомпенсирующий элемент, длина которого равна длине части опоры, ограниченной двумя секущими плоскостями, перпендикулярными геометрическим осям опоры и термокомпенсирующего элемента и проходящими через ближайшие точки крепления на опоре силовводящего и опорного элементов, опорный элемент выполнен Г-образной формы, одна полка которого перпендикулярна геометрической оси опоры, при этом одна поверхность этой полки связана уголком жесткости с опорой, а другая жестко соединена с чувствительным регистрирующим элементом, другая полка опорного элемента параллельна геометрической оси опоры, причем одна поверхность этой полки жестко связана с опорой, а длина другой поверхности равна проекции чувствительного регистрирующего элемента на нее.

Упругий элемент представляет собой часть опоры, на которой регистрируются осевые упругие деформации, соответствующие приложенной к опоре искомой силе. Длина этого упругого элемента и есть расстояние между ближайшими точками крепления опорного и силовводящего элементов.

Измерительный процесс сопровождается значительными перепадами температуры, вызывающими в упругом элементе линейные температурные приращения, соизмеримые по своим величинам с искомыми упругими деформациями. Для того, чтобы полностью скомпенсировать эти приращения, термокомпенсирующий элемент имеет длину, строго равную упругому. Так как материалы, из которых они изготовлены, имеют одинаковые физико-механические свойства, то модули линейных температурных приращений, возникающих в них, равны между собой. При этом упругий элемент является частью опоры, которая жестко закреплена одним концом на основании, а термокомпенсирующий элемент жестко закреплен с противоположной стороны на силовводящем элементе, который, в свою очередь, жестко крепится к опоре. Таким образом, температурные приращения упругого и термокомпенсирующего элементов противоположны по направлению и полностью компенсируют друг друга. Причем равная длина упругого и термокомпенсирующего элементов достигается тем, что конструкция опорного элемента, отличающаяся от конструкции силовводящего, позволяет исключить проекцию габаритов чувствительного регистрирующего элемента из длины упругого. Направляющие, обеспечивающие параллельность геометрических осей упругого и термокомпенсирующего элементов, позволяют исключить появление тангенциальных составляющих искомых сил.

Силовводящий элемент, выполненный из материала с высокой теплопроводностью, имеет площадь соприкосновения с опорой в месте крепления к ней, достаточную для осуществления передачи температуры от опоры в термокомпенсирующий элемент через силовводящий. При этом конструкция силовводящего элемента позволяет расположить термокомпенсирующий элемент на некотором расстоянии от упругого с тем, чтобы учесть наличие какой-либо технологической обвязки, проходящей вплотную к опоре. Это особенно важно в тех случаях, когда устройство применяется на уже действующих промышленных объектах, где ранее планировалось применение таких устройств. Таким образом, отсутствие кожуха с теплопроводящим слоем, расположенного вплотную к опоре, и осуществление теплопередачи от опоры в термокомпенсирующий элемент через силовводящий позволяет существенно расширить область использования устройства.

На фиг.1 изображено силоизмерительное устройство, расположенное на опоре.

Устройство содержит силовводящий элемент 1, часть опоры 2, на которой регистрируются осевые упругие деформации, т.е. упругий элемент, опорный элемент 3, термокомпенсирующий элемент 4, чувствительный регистрирующий элемент 5, направляющие 6, опору 7, основание 8 опоры.

На фиг.2 показана схема компенсации линейных температурных приращений и выделения искомых осевых упругих деформаций.

Схема содержит силовводящий элемент 1, общий для упругого и термокомпенсирующего элементов, упругий элемент 2, общий опорный элемент 3, объединяющий по единому смысловому значению относительно фиг.1 опорный элемент, часть опоры, находящуюся между упругим элементом 2 и основанием опоры, и основание опоры, термокомпенсирующий элемент 4, чувствительный регистрирующий элемент 5.

Силоизмерительное устройство содержит силовводящий элемент 1, выполненный из материала с высокой теплопроводностью, жестко закрепленный на опоре 7 с помощью сварки или болтами. Площадь соприкосновения силовводящего элемента с опорой 7 позволяет осуществлять теплопередачу. Упругий элемент 2, являющийся частью опоры, на которой регистрируются осевые упругие деформации, ограничен двумя секущими плоскостями, перпендикулярными геометрической оси упругого 2 и термокомпенсирующего 4 элементов и проходящими через ближайшие друг к другу точки крепления опорного 3 и силовводящего 1 элементов. Это точки А и В соответственно.

Опорный элемент 3 жестко крепится к опоре сваркой или болтами.

Опорный элемент 3 выполнен Г-образной формы, одна полка которого перпендикулярна геометрической оси опоры 7, при этом одна поверхность этой полки связана уголком жесткости с опорой, а другая жестко соединена с чувствительным регистрирующим элементом 5. Другая полка опорного элемента 3 параллельна геометрической оси опоры 7, причем одна поверхность этой полки жестко связана с опорой, а длина другой поверхности равна проекции чувствительного регистрирующего элемента 6 на нее l₅. Такая конструкция опорного элемента 3 позволяет исключить проекцию габаритов чувствительного регистрирующего элемента 5 на упругий элемент 2 и сохранить тем самым равную длину термокомпенсирующего элемента 4 и упругого элемента 2, т.е. l_комп l_упр.

Чувствительный регистрирующий элемент 5 связан с термокомпенсирующим элементом 4 в точке С, находящейся на геометрической оси этого элемента. Для обеспечения параллельности этой оси и геометрической оси упругого элемента элемент А размещен в направляющих 6, жестко закрепленных на опоре (упругом элементе 2) сваркой или болтами и не препятствующих свободному перемещению в них термокомпенсирующего элемента 4. При этом сама опора 7 технологической емкости или какой-либо установки жестко закреплена на основании 8. Ось OZ является геометрической осью опоры и упругого элемента 2, а ось O'C геометрической осью термокомпенсирующего элемента 4. Термокомпенсирующий элемент 4 закреплен на силовводящем сваркой или болтами.

Устройство работает следующим образом.

На опору 7 действует искомая сила Р, которая на участке упругого элемента 2 имеет значение . Под воздействием этой силы в упругом элементе возникают осевые упругие деформации Δl_упр вдоль оси OZ. Конец термокомпенсирующего элемента 4 перемещается на величину этой деформации по своей геометрической оси O'C относительно точки С в направлении действия вектора .

При этом, свободно двигаясь в направляющих, геометрическая ось O'C термокомпенсирующего элемента 4 остаeтся строго параллельна оси OZ. Усилия передаются в термокомпенсирующий элемент 4 через силовводящий элемент 1.

В качестве чувствительного регистрирующего элемента 5 может быть использован упругий элемент датчика силы, деформации или перемещения, например волоконно-оптический.

При измерении усилия со стороны верхних концов упругого 2 и термокомпенсирующего 4 элементов элемент 4 выполняет термокомпенсацию деформаций элемента 2, вызываемых температурными изменениями. Пример работы устройства при наличии температурных воздействий представлен на фиг.2.

Температура элементов 3 и 4 grad является в общем случае сложной функцией, зависящей от соотношения температур, и носит градиентный характер с направлением вдоль осей OZ и O'C, являющихся геометрическими осями элементов 2 и 4.

Принцип выделения деформаций от воздействия на упругий элемент 2 силы и компенсация температурных воздействий поясняются на фиг.2 следующим образом.

l_упр длина упругого элемента 2 между нижней плоскостью элемента 1 и верхней плоскостью элемента 3 при некоторых условиях 0 и grad 0; l_комп длина термокомпенсирующего элемента 4, равная длине l_упр, измеряется так же; l₅ измерительная длина перемещений нижнего конца элемента 4 относительно верхней плоскости основания 3 (точки С) при начальных условиях равна величине чувствительного регистрирующего элемента 5; сила реакции чувствительного элемента 5 при воздействии на него термокомпенсирующего элемента 4.

Деформация Δl_упр упругого элемента 2, вызванная силой и общим тепловым потоком grad , равна алгебраической сумме деформаций
Δl_упр=Δl+Δl где Δl деформация, вызванная силой
Δl деформация, вызванная потоком grad
Δl=l/E₂A₂ где Е₂ модуль продольной упругости материала элемента 2;
А₂ площадь поперечного сечения элемента;
Δl=l_упр·α₂·ΔT где α₂ температурный коэффициент расширения материала элемента 2;
Δ Т_Z2 некоторое интегральное изменение температуры элемента 2, вызванное изменением теплового потока grad .

Таким образом,
Δl_упр=lE₂A₂+α₂ΔT
Деформация Δ l₄ термокомпенсирующего элемента 4 без влияния реакции чувствительного регистрирующего элемента 5 зависит только от изменения теплового потока grad и вызванного им интегрального изменения температуры ΔT_z элемента 4.

Δl_комп l_комп ˙ α₄ ˙ ΔT_z, где α₄ температурный коэффициент расширения материала элемента 4.

Так как элементы 2 и 4 должны быть выполнены одной длины и из одного материала, то
l_комп l_упр l; α₂ α₄; Е₂ Е₄; ΔT ΔT условия для распространения общего теплового потока grad одинаковы для обоих элементов 2 и 4.

Изменение измерительной длины перемещения l₅ обозначим Δ l₅ и представим как разность перемещений элементов 2 и 4, так как они имеют общее жесткое закрепление на элементе 1 по плоскости ОО'.

Δl₅= Δl_упр-Δl_комп= l/E₂A₂ а так как величины l, Е₂, А₂ есть величины постоянные для каждого конкретного исполнения силоизмерительного устройства, то Δ l₅ есть функция только от : Δl₅=f()
Рассмотрим влияние чувствительного элемента 5 через его реакцию cилу на величину Δ l₅.

Использование в качестве элемента 5, например, волоконно-оптического преобразователя перемещений или ему подобного полностью исключает влияние , так как отсутствует механический контакт элементов выше указанного датчика и 0.

Таким образом, в данном устройстве перемещение нижнего конца элемента 4 относительно верхней плоскости основания 3 пропорционально воздействующей на устройство силе , причем элемент 4 выполняет функцию термокомпенсатора.

Использование: измерение усилий, давлений, переменного веса содержимого технологических емкостей периодической загрузки в условиях значительных перепадов температуры. Сущность изобретения: устройство содержит силовводящий и опорный элементы, закрепленные на опоре. Термокомпенсирующий элемент установлен в направляющих, жестко закрепленных на опоре, и выполнен из материала, по физико-механическим свойствам совпадающего с материалом опоры. Один конец термокомпенсирующего элемента жестко связан с силовводящим элементом, а другой соединен с чувствительным регистрирующим элементом, закрепленным на опорном элементе. Длина термокомпенсирующего элемента равна длине части опоры, ограниченной двумя секущими плоскостями, перпендикулярными осям опоры и термокомпенсирующего элемента и проходящими через ближайшие точки крепления на опоре силовводящего и опорного элементов. Опорный элемент выполнен Г образной формы, одна его полка перпендикулярна оси опоры, одна поверхность другой полки жестко связана с опорой, а длина поверхности этой полки равна проекции чувствительного регистрирующего элемента на нее. 2 ил.

СИЛОИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее силовводящий и опорный элементы, закрепленные жестко на опоре, термокомпенсирующий элемент, материал которого по физико-механическим свойствам совпадает с материалом, опоры, один конец термокомпенсирующего элемента жестко связан с силовводящим элементом, а другой соединен с чувствительным регистрирующим элементом, который жестко закреплен на опорном элементе, отличающееся тем, что в него введены жестко закрепленные на опоре направляющие, в которых размещен термокомпенсирующий элемент, длина которого равна длине части опоры, ограниченной двумя секущими плоскостями, перпендикулярными геометрическим осям опоры и термокомпенсирующего элемента и проходящими через ближайшие точки крепления на опоре силовводящего и опорного элементов, опорный элемент выполнен Г-образной формы, одна полка которого перпендикулярна геометрической оси опоры, при этом одна поверхность этой полки связана уголком жесткости с опорой, а другая жестко соединена с чувствительным регистрирующим элементом, другая полка опорного элемента параллельна геометрической оси опоры, причем одна поверхность этой полки жестко связана с опорой, а длина другой поверхности равна проекции чувствительного регистрирующего элемента на нее.