СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕСА СТАЦИОНАРНОГО ОБЪЕКТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G01G19/02 

Изобретение относится к весоизмерительной технике и может быть использовано для взвешивания автомобильного, железнодорожного, авиационного транспорта, нетранспортабельных больных, а также во всех областях, где требуется измерять вес стационарного объекта, который невозможно или нецелесообразно перемещать, ставить на весы, кантовать и т.п.

Изобретение направлено на решение задачи, заключающейся в расширении функциональных возможностей, повышении точности и упрощении способа измерения веса и устройства для его осуществления.

Известен способ измерения веса больного на функциональной кровати, заключающийся в размещении больного на лежаке с весовым рычажно-измерительным устройством, компенсации веса больного механизмом балансирного уравновешивания с одновременной фиксацией веса по сигналу дисбаланса устройства [1]
Недостатками описанного аналога являются ограниченные функциональные возможности и сравнительно низкая точность измерения, это объясняется тем, что аналог реализует классический метод измерения веса, согласно которому объект помещается на весы, и вес либо непосредственно преобразуется в перемещение пружины, изменение давления в пневматическом элементе и т.п. либо, как в данном случае, преобразование происходит с помощью метода силовой компенсации. Поэтому способ по своей сути, непригоден для стационарных объектов, не имеющих возможности перемещения. Реализация данного способа обуславливает предельную сложность устройства, приводящую к значительным погрешностям измерения.

Известны также способы взвешивания транспортных средств, заключающиеся в установке транспортного средства на заполненную воздухом упругую оболочку, возбуждение в оболочке динамических изменений давления с постоянной частотой и амплитудой и фиксации скорости изменения давления, являющейся функцией величины давления в оболочке, а следовательно, и веса транспортного средства [2] а.с. СССР N 685928, кл. G 01 G 19/02, 1979, а.с. СССР N 734509, кл. G 01 G 19/02, 1980.

Недостатками этих аналогов также являются ограниченные функциональные возможности и низкая точность. По своему принципу действия данные способы также предусматривают перемещение контролируемого объекта, установку его на упругой оболочке и не могут быть использованы применительно к стационарным объектам. Низкая точность обусловлена нелинейной зависимостью выходного сигнала от действующей на поверхность упругой оболочки силы тяжести. Это объясняется тем, что согласно принципу способа и реализуемой им аналитической зависимости выходной сигнал, которым является скорость изменения давления d ρ/dt, нелинейно зависит от величины давления ρ, линейно связанной с весом объекта. Кроме того, сам принцип двукратного динамического преобразования, а именно, сначала создания заданных динамических изменений с постоянной амплитудой и частотой, потом преобразование уже этих динамических изменений опять в статику, т.е. в электрический сигнал, в системах пневматики, в огромной степени определяемых различными инерционными параметрами (наличием камер, капилляров и т.п.), чреват возникновением значительных погрешностей измерения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является выбранный в качестве прототипа способ взвешивания транспортных средств, заключающийся в том, что устанавливают транспортное средство на заполненную воздухом упругую оболочку, возбуждают в оболочке динамические изменения давления с постоянной частотой и амплитудой и фиксируют скорость изменения давления, являющуюся функцией величины давления в оболочке и веса транспортного средства [2] (прототип).

У прототипа и предлагаемого изобретения сходные существенные признаки заключаются в заполнении воздухом упругой оболочки и измерении скорости изменения давления воздуха в оболочке.

Недостатком прототипа являются ограниченные функциональные возможности вследствие невозможности его использования для измерения веса стационарных объектов и низкая точность из-за нелинейной зависимости выходного сигнала от действующей на оболочку силы тяжести объекта (см. выше).

Известно весовое устройство функциональной кровати, содержащее лежак с площадкой для размещения больного, механизм балансирного уравновешивания с узлом дисбаланса, приводом, узлом управления и датчик усилия с указателем [1]
Недостатком описанного аналога являются ограниченные функциональные возможности, не позволяющие осуществлять взвешивание больных без их перемещения, размещения на лежаке, также предельная сложность конструкции, регулировки и эксплуатации устройства, его громоздкость.

Известны также устройства для взвешивания транспортных средств, содержащие заполненную воздухом упругую оболочку, возбудитель динамических изменений давления в виде замкнутой камеры с подключенным к генератору вибратором, и термоанемометрический преобразователь скорости изменения давления газа в электрический сигнал с блоком вычисления веса транспортного средства [2] и др. (см. выше).

Недостатками данных аналогов являются ограниченные функциональные возможности, не позволяющие производить взвешивание стационарных объектов, которые невозможно или нецелесообразно перемещать, устанавливать на упругую оболочку и т.п. а также сложность устройств за счет наличия дополнительных герметических камер, высокочастотного возбудителя колебаний, капиллярных каналов, блока обработки сигнала, термоанемометрического преобразователя и т. п.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является выбранное в качестве прототипа устройство для взвешивания транспортных средств, содержащее заполненную воздухом упругую оболочку, возбудитель динамических изменений давления в виде замкнутой камеры с подключенным к генератору вибратором и термоанемометрический преобразователь скорости изменения давления газа в электрический сигнал с блоком вычисления веса транспортного средства [2] (прототип).

У прототипа и предлагаемого устройства сходные существенные признаки состоят в наличии упругой оболочки.

Недостатками данного устройства являются ограниченные функциональные возможности и сложность конструкции (cм. выше).

Цель изобретения расширение функциональных возможностей способа и устройства измерения веса, повышение точности измерения и упрощение конструкции устройства.

Для достижения поставленной цели предлагаемое изобретение "Способ измерения веса стационарного объекта и устройство для его осуществления " содержит следующие общие выраженные определенными понятиями существенные признаки, совокупность которых направлена на решение только одной, связанной с целью изобретения задачей.

Способ измерения веса объекта включает заполнение воздухом упругой оболочки, размещение под одной из сторон объекта, введение оболочки в контакт с объектом по заданной площади, равномерную подачу воздуха и контроль за скоростью изменения давления в оболочке, фиксацию давления в момент скачкообразного уменьшения скорости изменения давления, определение по зафиксированному давлению развиваемого оболочкой усилия, размещение оболочки под объектом с противоположной стороны, повторение процесса измерения и определение веса, как сумму развиваемых оболочкой усилий при двух измерениях.

Устройство для осуществления способа измерения веса объекта содержит упругую оболочку с выступающей за ее поверхность жесткой контактирующей площадкой, манометр, вариометр и компрессор, приводимый в действие электродвигателем.

По отношению к прототипу предлагаемый способ отличается равномерной подачей воздуха в оболочку и фиксацией величины давления в момент скачкообразного уменьшения скорости изменения давления. Именно эти отличия способа обуславливают новый принцип измерения веса объекта. В отличие от известных способов, где за счет веса объекта меняется прогиб оболочки, либо давление в ней, в предложенном способе сила тяжести плавно компенсируется усилием упругой оболочки и в момент полной компенсации жесткость оболочки скачком уменьшается и соответственно, скачком уменьшается скорость измерения давления. Именно эти отличия позволяют не размещать объект на оболочке, а плавно действуя снизу, компенсировать вес объекта, за счет чего расширяются функциональные возможности способа и повышается его точность. Отличием способа является также поочередная компенсация усилием оболочки веса объекта с двух его сторон и последующее сложение усилий, что также является принципиально новым и позволяет измерять вес стационарного объекта без его перемещения, т. е. расширяет функциональ- ные возможности способа.

По отношению к прототипу предлагаемое устройство отличается наличием подсоединенных к упругой оболочке манометра, вариометра и компрессора, приводимого в действие электродвигателем, а также выполнением на оболочке выступающей за ее поверхность жесткой контактирующей площадки.

Именно эти отличия позволяют с помощью манометра измерять давление в оболочке в момент скачкообразного уменьшения скорости изменения давления, фиксируемого вариометром, при плавной подаче воздуха в оболочку компрессором с двигателем. Таким образом, именно указанные отличия обеспечивают расширение функциональных возможностей устройства и упрощение его конструкции.

По имеющимся у автора сведениям совокупность существенных признаков, характеризующих сущность предлагаемого изобретения, не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "новизна".

По мнению автора, сущность предлагаемого изобретения не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, так как из него не выявляется вышеуказанное влияние и получаемый технический результат новое свойство объекта совокупности признаков, которые отличают от прототипа предлагаемое изобретение, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "изобретательский уровень".

Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность изобретения, в принципе может быть многократно использована в весоизмерительной технике для взвешивания автомобильного, железнодорожного, авиационного транспорта и т.д. с получением принципиально нового технического результата, заключающегося в плавной компенсации упругим усилием оболочки веса стационарного объекта, обуславливающего обеспечение достижения поставленной цели расширение функциональных возможностей способа и устройства, повышение точности измерения и упрощение конструкции устройства, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "промышленная применимость".

На фиг. 1 изображена принципиальная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 расчетная схема для определения веса объекта
В качестве примера на фиг. 1 стационарным объектом показана функциональная кровать, однако, в равной мере этим объектом может быть автомобиль, железнодорожный вагон, самолет, станок и т.п. Предлагаемое устройство для измерения веса стационарного объекта содержит упругую оболочку 1 с жесткой контактной площадкой 2, выступающей за поверхность оболочки 1, размещенную под одной из сторон стационарного объекта 3, и подсоединенные к оболочке 1 через клапан 4 манометр 5, стрелочный авиационный вариометр 6 для измерения скорости изменения давления и компрессор 7 для равномерной подачи воздуха в оболочку 1, приводимый в действие электродвигателем 8. Контактная площадка 2 выполнена резинометаллической, своей металлической поверхностью приклеена к оболочке 1, а резиновой поверхностью вводится в контакт с объектом 3 по всей своей поверхности. Площадь контакта по возможности выполнена минимальной, чтобы усилие N при контактировании из распределенной по площади нагрузки стремилось к сосредоточенной силе, в этом случае даже при неполном контакте по всей поверхности контакта погрешность от изменения площади контакта будет минимальной (при контактировании не по всей поверхности контактной площадки тому же давлению в оболочке в момент компенсации измерительным усилием веса будет соответствовать большее усилие N, что приведет к погрешности измерения). Предусмотрен вариант конструкции, в котором контактная площадка выполнена в виде закрепленного на оболочке металлического центра с резьбовым отверстием, в которое вворачивается резиновый упор. В этом случае достигается универсальность за счет подбора при одном центре разных упоров для различных видов объектов.

Устанавливают спущенную упругую оболочку 1 свободно под объектом 3 с одной стороны из его сторон (например, справа на фиг.1). Если объект на колесах (кровать, вагон и т. п. ) то предотвращают возможность смещения влево фиксацией колес, либо подкладыванием под них стопорного устройства. Включают двигатель 8 и компрессором 7 плавно подают воздух в оболочку 1, при этом давление в оболочке, фиксируемое манометром 5, плавно нарастает, скорость изменения давления, фиксируемая вариометром 6, практически постоянна и мала, так как оболочка 1 пока легко растягивается, увеличивая объем. В определенный момент контактная площадка оболочки 1 коснется объекта 3. В этот момент будет скачок на вариометре 6, так как объем оболочки 1 увеличиваться практически перестает, а воздух компрессор 7 продолжает подавать, скорость изменения (увеличения) давления, фиксируемая вариометром 6, по-прежнему практически постоянна, однако, величина этой скорости с момента касания оболочкой 1 объекта 3 увеличивалась. Однако, до касания оболочкой 1 объекта 3, проявившегося в скачкообразном увеличении показаний вариометра 6, показания манометра 5 и вариометра 6 не представляют интереса (только фиксируется сам факт скачка). Далее, продолжая равномерную подачу воздуха в оболочку 1, уже контролируют поведение манометра 5 и вариометра 6. Оболочка 1 постепенно развивает большее усилие N, компенсируя вес объекта, приходящийся на одну сторону. В момент полной компенсации усилием N оболочки 1 части веса G объекта 3 скорость изменения давления в оболочке, фиксируемая вариометром 8, скачкообразно уменьшается, так как с этого момента оболочка 1 опять начинает увеличивать свой объем, поднимаясь вместе с объектом 3. В этот момент скачка фиксируют показание манометра 5, сразу переводимое в усилие N. Для конкретной упругой оболочки при постоянной площади контактирования с объектом 3 каждой величине давления соответствует конкретное усилие N. Эта зависимость усилий N от давления при постоянной площади контактирования легко строится экспериментально, то есть манометр 5 градуируется непосредственно в величинах развиваемых оболочкой усилий. Далее размещают оболочку 1 под объектом 3 с другой стороны, повторяют процесс измерения и определяют вес объекта 3, как сумму усилий N при двух измерениях. Контактная площадка 2 считается абсолютно жесткой и полностью по всей поверхности вводится в контакт с объектом 3. Поэтому определенной величине давления в оболочке 1 соответствует также определенное усилие N, прикладываемое со стороны площадки 2 к объекту 3. Высота и площадь контактной площадки 2 выбрана достаточной, чтобы при максимальном измеряемом весе оболочки 1 обеспечивала бы заданное усилие N, однако, при этом ее поверхность не контактировала бы с объектом 3.

Поясним принцип действия способа с помощью расчетной схемы на фиг.8. Сначала (фиг.2а) объект 3 поднимает справа в точке С центр тяжести объекта, в общем случае ориентированный произвольно на расстоянии а от левого края объекта, b длина объекта. В момент компенсации в точке В измерительным усилием N₁ части веса G объекта 3 наступает предельное состояние равновесия, при котором точка А как бы является шарнирной опорой.

Из уравнения равновесия моментов относительно А ΣМ_А 0 следует: N₁˙ b G˙ a 0 (1). При подъеме объекта слева (фиг.2,б) аналогично: ΣМ_в 0; -N₂˙ b + G(b-a) 0 (2). Из (1): G ˙ a N₁ ˙ b; подставим в (2): -N₂ ˙ b + + G ˙ b N₁ ˙ b 0, откуда G N₁ + N₂. Таким образом, в данном случае независимо от ориентации центра тяжести С объекта его вес G равен сумме определенных усилий при двух измерениях.

Требование сохранения заданной площади при контактировании с объектом можно объяснить следующим образом.

Как известно (см. книгу Л.Е.Андреевой "Упругие элементы приборов", М. 1962, с. 49-50) для упругого элемента (оболочки) при упоре в жесткий неподвижный объект N Px xF_эф (3), где N величина усилия, Р давление в оболочке, F_эф эффективная площадь упругого элемента. В общем случае F_эф изменяется с прогибом оболочки, то есть, с изменением Р, поэтому зависимость (3) в общем случае нелинейна. Однако, каждому значению Р соответствует конкретное значение F_эф и, естественно, значение N. Поэтому для каждой оболочки легко экспериментально или теоретически на основании (3) получить зависимость N от Р. На основании этой зависимости и градуируется манометр 5, по которому с помощью зафиксированного значения Р определяется N. Такая градуировка должна проводиться для каждой упругой оболочки. Однако, предварительная градуировка соответствует реальному процессу измерения только тогда, если площадь контакта упругой оболочки с объектом при градуировке и в процессе измерения не меняется. Если же, например, площадь контакта объекта и оболочки неопределенная контактирующая поверхность (контактирование производится без контактной площадки 2), то упругая оболочка при контакте будет все время по разному "обжимать" объект, эффективная площадь F_эф будет от этого естественно, зависеть и отличаться от F_эф при градуировке, в результате чего результат измерения будет искажаться. Использование в качестве упругой оболочки работающего на сжатие сварного сильфона, имеющего практически постоянную эффективную площадь, позволяет получить линейную зависимость усилия N от давления Р и, тем самым, дополнительно увеличить точность измерения.

Для обеспечения максимальной универсальности устройства одна упругая оболочка используется для различных объектов как по природе, так и по диапазонам измеряемых весов, месту контакта. Однако, такая универсальность снижает точность измерения, так как трудно одной контактной площадкой обеспечить надежный контакт для различного типа объектов. Также при малых по весу объектах более высокие точность и чувствительность достигаются при маломощной упругой оболочке. Поэтому для повышения точности целесообразно для одного класса объектов с определенным диапазоном весов и конструкций иметь свою упругую оболочку для другого класса свою. Промежуточный вариант, как было сказано выше это наличие на оболочке резьбового центра для установки на него смежных упоров. Такой вариант позволит достичь оптимального соотношения между универсальностью и точностью измерений.

При реализации устройства был применен авиационный стрелочный вариометр типа Вар 300. В качестве упругой оболочки использован сварной сильфон, работающий на сжатие, выполненный из латуни Л 80 наружный диаметр D 240 мм, недеформированная высота Н 160 мм. Для повышения жесткости внутрь сильфона введена винтовая цилиндрическая пружина, число рабочих гофр 12, максимальный рабочий ход Δ 40 мм, эффективная площадь F_эф 280 см², суммарная осевая жесткость сильфона и пружины f₂ 50000 Н/м. Сильфон развивает усилия N в диапазоне 0-8000 Н. При N N_max 2000 Н давление в сильфоне Р 7,15 ˙ 10⁴ Н/м².

Экспериментальные исследования проводились по определении веса человека на функциональной кровати. Вес кровати заранее известен с высокой точностью и вычитается из определенного суммарного веса. При контакте с кроватью для получения требуемой высоты сильфон ставился на жесткую подставку. При установке сильфона справа в момент скачка скорости изменения давления было зафиксировано давление Р₁ 1,7 ˙ 10⁴ Н/м², что соответствует N₁ 468 Н ≈ 48 кГс; при установке сильфона слева Р₂ 2,1 ˙ 10⁴ Н/м², что соответствует N₂ 588 Н ≈ 60 кГс. Вес кровати с человеком G N₁ + N₂ 108 кГс. Проверка взвешиванием показала, что погрешность измерения при весе до 200 кГс не превышает 300-400 Гс.

Таким образом, результаты проведенных экспериментов показали, что при использовании изобретения обеспечивается расширение функциональных возможностей способа и устройства при одновременном повышении точности измерения, вследствие чего данное изобретение целесообразно использовать в народном хозяйстве.

Применение изобретения в народном хозяйстве позволяет также при необходимости практически механизировать процесс измерения веса и значительно повысить тем самым производительность труда.

Предлагаемое решение не оказывает отрицательного воздействия на состояние окружающей среды.

Изобретение можно использовать в качестве весоизмерительной техники для расширения функциональных возможностей и повышения точности измерения. Сущность изобретения: способ измерения веса заключается в том, что размещают оболочку под объектом последовательно с двух сторон объекта 3, заполняя оболочку воздухом, вводят ее в контакт с объектом, равномерно подавая воздух в оболочку, фиксируют величину давления в момент скачкообразного уменьшения скорости изменения давления и определяют по зафиксированному давлению развиваемое оболочкой усилие, по которому вычисляют вес объекта. Устройство для осуществления способа содержит упругую оболочку, подсоединенные к оболочке манометр 5, вариометр 6 и компрессор 7, приводимый в действие электродвигателем 8, а на оболочке выполнена выступающая на ее поверхность жесткая контактная площадка 2. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ измерения веса стационарного объекта, включающий заполнение воздухом упругой оболочки и контроль за скоростью изменения давления воздуха в оболочке, отличающийся тем, что размещают оболочку под объектом с одной из его сторон, заполняя оболочку воздухом, вводят ее в контакт с объектом по заданной площади, продолжая равномерно подавать воздух в оболочку, фиксируют величину давления в момент скачкообразного уменьшения скорости изменения давления в оболочке, соответствующий компенсации развиваемым оболочкой усилием приходящейся на нее части веса объекта, определяют по зафиксированному давлению развиваемое оболочкой усилие, после чего размещают оболочку под объектом с противоположной стороны, повторяют процесс измерения и определяют вес объекта как сумму развиваемых оболочкой усилий при двух измерениях. 2. Устройство для измерения веса стационарного объекта, содержащее упругую оболочку, отличающееся тем, что в него введены подсоединенные к упругой оболочке манометр, вариометр и компрессор, приводимый в действие электродвигателем, а на оболочке выполнена выступающая за ее поверхность жесткая контактная площадка.