ВЕСОИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1996 года по МПК G01G9/00 

Изобретение относится к взвешиванию больших масс и предназначено для использования в условиях сложных помехообразующих производств: при наличии вибраций, электромагнитных полей и т.д. например, в области черной металлургии, где может быть использовано, в частности, в сталеплавильном производстве для взвешивания ковшей с жидким металлом.

Известно устройство, которое по большинству признаков выбрано нами за прототип, содержащее грузоприемную пяту (платформу), размещенный под ней механотронный датчик, аноды которого связаны с узлом их перемещения, измерительный прибор и источник питания (Г.С. Берлин. Электронные приборы с механически управляемыми электродами. М. Энергия, 1971, с.160). В механотронном датчике в качестве промежуточного упругого элемента применена работающая на изгиб фигурная плоская пружина, деформация которой воспринимается штырем механометрического датчика.

Недостатком этого устройства является то, что увеличение чувствительности устройства производится путем перемещения нагрузки на штырь механотрона, что способствует увеличению начального тока при отсутствии действия усилий, однако вместе с этим увеличивается чувствительность прибора к вибрации. Кроме того, упругая пластина механотрона, через которую проходит штырь, находится под воздействием температуры нити накаливания вакуумного диода, что вызывает непрерывный дрейф шкалы измерительного прибора, в результате чего в измерения усилий вносятся случайные ошибки. Все это значительно снижает точность измерения усилий под действием взвешиваемых масс. При осуществлении включения механотрона в измерительную схему используется источник постоянного тока, что ограничивает применение аппаратуры для приема и усиления сигналов постоянного тока, передаваемых на большие расстояния. Применяемая аппаратура для приема и усиления сигналов постоянного тока не обладает высокой стабильностью температурных и временных характеристик, следовательно, перечисленные недостатки значительно ограничивают применение указанного механотрона в качестве преобразователя механических усилий в электрический сигнал.

Целью изобретения является повышение точности взвешивания.

Поставленная цель достигается тем, что в весоизмерительное устройство, содержащее грузоприемную платформу, размещенный под ней механотронный датчик, аноды которого жестко связаны с узлом их перемещения, измерительный прибор и источник питания, через резисторы подключенный к анодам механотронного датчика, согласно изобретению, введены высокочастотный генератор, выпрямитель, операционный усилитель и компенсационные термодатчики, а узел перемещения анодов выполнен в виде мембранной коробки с крышкой, в центральном отверстии которой установлена изоляционная втулка с закрепленной на ее нижнем торце металлической шайбой и коаксиально пропущенным через них штоком, нижний конец которого контактирует с металлическим диском, закрепленным на упругой мембране, а на верхнем его конце установлена контактная гайка, между нижним торцом которой и крышкой расположена амортизационная шайба, причем к одному входу операционного усилителя подключен анод механотронного датчика, а к другому его входу подключен выход мостовой схемы, в которую объединены компенсационные термодатчики, выход операционного усилителя подключен к одному входу высокочастотного генератора, два других входа которого соединены с упругой мембраной и металлической шайбой, которыми образован конденсатор, а выход высокочастотного генератора через преобразователь подключен к измерительному прибору.

На фиг.1 изображена схема конструкции весоизмерительного устройства; на фиг. 2 установка механометрического преобразователя на постаменте для взвешивания ковшей с жидким металлом.

На мембранной коробке 1 механотрона 2 закрепляют крышку-изолятор 3, выполненную из изоляционного материала (текстолита, винипласта толщиной 3 мм). Внутренний диаметр крышки 3 равен наружному диаметру мембранной коробки 1, равной 20 мм. Крышку 3 соединяют со втулкой 4, также выполненной из изоляционного материала, соединение резьбовое М5, внутренний диаметр втулки 4 составляет 3 мм. Втулку 4 соединяют при помощи клея "Момент-1" с диском 5, выполненным из медного листа толщиной 0,3 мм и диаметром 16 мм, в центре диска 5 выполнено отверстие диаметром 3,3 мм. На мембране 6 механотрона 2 располагают полистироловый диск 7 диаметром 16 мм и толщиной 0,3-0,5 мм. Шток 8 диаметром 2 мм и длиной 30 мм выполнен из латуни и соединен по резьбе М2 с контактной гайкой 9, выполненной в виде полусферы из изоляционного материала. Амортизатор 10 выполнен из листовой микpопористой резины толщиной 5 мм. Шток 8 вместе с контактной гайкой 9 пропускают через амортизатор 10, крышку 3, втулку 4 и диск 5 до касания с пластмассовым диском 7 и прижимают контактной гайкой 9 амортизатор 10 к крышке 3. К диску 5 припаян изолированный провод, который выведен через крышку 3 наружу и соединен с одной из ламелей лампового гнезда 11. На наружной стороне мембранной коробки 1 размещено дюралюминиевое кольцо 12 и закреплено винтами. Кольцо 12 имеет два углубления 3,6x2,5 мм, которые расположены относительно друг друга под углом 180^o. От одного из винтов, закрепляющих кольцо 12 на мембранной коробке 1, сделан вывод гибким проводом, припаянным к свободной ламели лампового гнезда 11. Механотрон 2 помещают в металлический корпус 13, на наружной стороне которого выполнена резьба М42x1,5 цоколем вниз и вставляют в ламповое гнездо 11, закрепленное в корпусе 13, а затем закрывают крышками, верхней 14 и нижней 15, по резьбе, причем в нижней крышке 15 выполнены углубления 3,6x2,5 мм для термоэлементов 16. Высокочастотный генератор 17 выполнен из двух транзисторов типа КТ312, включенных по схеме с общим эмиттером (3), а в его цепи колебательного контура включен конденсатор, образованный диском 5 и мембраной 6. Термоэлементы 16, расположенные в кольце 12 и в нижней крышке 15, образуют схему, выход которой соединен с одним из входов операционного усилителя 18, выполненного на микросхеме К14ОУД7, а на его второй вход включен выход измерительной схемы по постоянному току сопротивление R_н в цепи подвижного анода сдвоенного диода механотрона 2. Выход операционного усилителя 18 подключен к одной из шин питания высокочастотного генератора 17, а его второй шиной является общая шина измерительной схемы. Выход генератора 17 включен на высокочастотный блок преобразования 19, представляющий собой схему активного выпрямителя, собранного на микросхеме К14ОУД7 и высокочастотных диодах типа Д2 (4). Выход выпрямителя 19 подсоединен на вход измерительного прибора 20. Питание измерительной схемы механотрона 2, блока термоэлементов 16, операционного усилителя 18, выпрямителя 19 осуществляется от стабилизированного источника питания 21 с напряжениями +24 В; ±12 В; 6 В. Измерительная часть устройства выполнена печатным монтажом на плате в одном блоке.

Устройство работает следующим образом.

Сборку (датчик) корпуса 13, крышек 14, 15 вместе с механотроном 2 в собранном виде, как показано на фиг.2, располагают под балкой 22 и закрепляют на кронштейне с помощью гаек, используя резьбу на наружной поверхности корпуса 13. Резьба на корпусе 13 позволяет располагать датчик так, чтобы контактная гайка 9 находилась в непосредственном контакте с балкой 22. Размеры балки 22 выбираются в соответствии с максимальной нагрузкой так, чтобы вызываемая ею деформация балки 22 не превышала 30 мкм (2). Перед взвешиванием массы, например, ковшей с жидким металлом включают источник питания 21, а затем после 10-15-минутного прогрева механотрона 2 производят подготовку устройства к работе. Для этого устанавливают стрелку измерительного прибора 20 на ноль шкалы с помощью ручки "Ноль", установленной на блоке измерительного устройства. Проведение этой операции вызвано тем, чтобы компенсировать начальное значение выходного сигнала на выходе выпрямителя 19. Появление начального напряжения на выходе выпрямителя 19 сопряжено с тем, что после 10-15-минутного включения источника питания 21 в цепи сдвоенного диода механотрона 2 устанавливается некоторое значение тока, которое обусловливает появление определенной величины падения напряжения на нагрузке подвижного анода. За это время происходит прогрев мембраны 6 механотрона 2 под действием излучения со стороны нити накаливания диода. Мембрана 6 приобретает температуру, значение которой соответствует режиму динамического равновесия в теплопередаче между поглощением от нити накаливания и излучением в окружающую атмосферу. Под действием этой температуры изменяется модуль упругости материала мембраны 6, в результате чего наблюдается ее деформация, которая вызывает соответствующее ей смещение подвижного анода. Деформация мембраны 6 и смещение анода вызывает изменение тока через сдвоенный диод. Это изменение тока в виде дрейфа присутствует на выходе измерительной схемы по постоянному току. Температура мембраны 6 воспринимается с помощью термоэлементов 16, расположенных в кольце 12 на мембранной коробке 1. Разность между текущим сопротивлением термоэлементов, воспринимающих температуру мембраны 6 (кольцо 12), и сопротивлением термоэлементов, расположенных в крышке 15, характеризует текущее состояние мембраны 6 по температуре. Вследствие разности сопротивлений в плечах моста из термоэлементов 16 в его выходной диагонали появляется напряжение, пропорциональное величине этого разбаланса. Напряжения с анодной нагрузки сдвоенного диода и с выхода моста термоэлементов 16 поступают на входы операционного усилителя 18 в противофазе, в результате на выходе усилителя 18 появляется напряжение, не содержащее составляющей, вызванной температурной деформацией мембраны 6. Напряжение с выхода операционного усилителя 18 является напряжением питания высокочастотного генератора 17 и определяет режим его работы: частоту и амплитуду колебаний. Сигнал с генератора 17 поступает на вход выпрямителя 19, в котором происходит преобразование высокочастотного сигнала в постоянный. После преобразования выпрямленное напряжение поступает на вход измерительного прибора 20. На входе активного выпрямителя, входящего в блок 19, предусмотрена установка смещения, определяющего пороговое значение для начального сигнала с генератора 17, и тем самым всегда имеется возможность компенсирования сигнала с генератора 17 и установки нуля шкалы измерительного прибора 20.

Взвешивание осуществляется путем установки ковша на упругую балку 22. Под давлением массы ковша балка 22 прогибается, оказывая давление на контактную гайку 9 и шток 8. Шток 8 передает давление массы ковша на пластмассовый диск 7. Введение диска 7 обеспечивает равномерное распределение локального давления штока 8 по всей поверхности мембраны 6, и тем самым достигается равномерный прогиб мембраны 6 относительно металлического диска 5. Распределение прогиба по поверхности можно обобщить с понятием зазора, увеличивающегося между металлическим диском 5 и мембраной 6. Увеличение зазора между диском 5 и мембраной 6 приводит к уменьшению емкости конденсатора (диск 5 мембрана 6). Уменьшение емкости конденсатора, включенного в цепь генератора 17, приводит к перестройке генератора по частоте, на его выходе появляются колебания повышенной частоты. Вместе с прогибом мембраны 6 происходит смещение подвижного анода относительно исходного положения, в результате потенциал анода изменяется относительно общей шины. Изменение потенциала на аноде вызывает пропорциональное изменение напряжения на выходе операционного усилителя 18. Это напряжение поступает на генератор 17 и изменяет режим его работы: частота колебаний на выходе генератора 17 изменяется в соответствии с величиной поступающего напряжения. Сигнал, частота и амплитуда которого изменились в соответствии с напряжением, поступает на вход выпрямителя 19. Применение операционного усилителя в схеме активного выпрямителя 19 позволяет усиливать сигнал с постоянным коэффициентом усиления без искажений в широкой полосе частот.

Таким образом, оценка взвешивания массы производится путем одновременного преобразования давления на мембрану 6 механотрона 2 в сигнал высокой частоты, а сигнал постоянного тока с анодной нагрузки диода механотрона в сигнал низкой частоты, который является модулирующим сигналом основного высокочастотного сигнала. Такое преобразование позволяет повысить точность и надежность измерения, улучшить помехозащищенность устройства при работе в условиях действующих сильных электромагнитных полей и обеспечивает хорошее согласование с нагрузкой (внешним прибором).

Пример конкретной реализации.

Упругие балки 22 были выполнены из стали 60 ГС и имели следующие размеры 1000x150x70. Основная частота 5 МГц, модулирующая 3 кГц. Измеряемая масса 100 т, точность измерения 0,1% Максимальная чувствительность 50 кг. В результате произведенных измерений масса ковша без металла составляла 28±0,5 т, масса ковша с металлом 98±2 т. Масса самого устройства: масса упругих балок около 160 кг, масса измерительного блока 1,2 кг, масса внешнего измерительного прибора КСП-4 24 кг.

Использование предлагаемого устройства по сравнению с прототипом позволит получить следующие технико-экономические преимущества:
увеличивает точность измерения при взвешивании больших масс,
увеличивает помехозащищенность устройства при работе в условиях действующих электромагнитных полей,
обеспечивает стабильное и надежное измерение при изменении температуры окружающего воздуха от -50 до +70^oС,
обеспечивает хорошее согласование с внешней нагрузкой, что позволяет производить широкий выбор измерительных приборов.

Использование: взвешивание объектов с большой массой. Сущность изобретения: на мембранной коробке 1 механотрона 2 закреплены крышка 3, соединенная со втулкой 4, которая скреплена с неметаллическим диском 5. Через шток 8 передается давление от массы объекта на диск 7 и мембрану 6. При этом увеличивается зазор между диском 5 и мембраной 6, что ведет к изменению электрической емкости конденсатора, образованного этими элементами. Вследствие этого изменяется частота генератора 17, фиксируемая измерительным прибором 20. 2 ил.

Весоизмерительное устройство, содержащее грузоприемную платформу, размещенный под ней механотронный датчик, аноды которого жестко связаны с узлом их перемещения, измерительный прибор и источник питания, через резисторы подключенный к анодам механотронного датчика, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, в него введены высокочастотный генератор, выпрямитель, операционный усилитель и компенсационные термодатчики, а узел перемещения анодов выполнен в виде мембранной коробки с крышкой, в центральном отверстии которой установлена изоляционная втулка с закрепленной на ее нижнем торце металлической шайбой и коаксиально пропущенным через них штоком, нижний конец которого контактирует с неметаллическим диском, закрепленным на упругой мембране, а на верхнем его конце установлена контактная гайка, между нижним торцом которой и крышкой расположена амортизационная шайба, причем к одному входу операционного усилителя подключен анод механотронного датчика, а к другому его входу подключен выход мостовой схемы, в которую объединены компенсационные термодатчики, выход операционного усилителя подключен к одному входу высокочастотного генератора, два других входа которого соединены с упругой мембраной и металлической шайбой, которыми образован конденсатор, а выход высокочастотного генератора через преобразователь подключен к измерительному прибору.