ДАТЧИК ДЛЯ ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИХ ВЕСОВ Российский патент 1997 года по МПК G01L1/22 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в высокочастотных тензометрических весах, а также в качестве преобразователя механических величин (давления, перемещения, деформации, усилия) в электрический сигнал в различных системах контроля и управления технологическими процессами.

В весовых системах широко используются датчики для измерения усилий при взвешивании с упругими элементами в форме параллелограмма. Примером такого датчика является силоизмерительное устройство [1] Известный датчик содержит два вертикальных силовых плеча, соединенный двумя параллельными упругими балочками с образованием параллелограммной подвески, и тензорезисторы, сформированные на утоненных участках упругих балочек. Такое выполнение датчика приводит к появлению погрешностей взвешивания, связанных со смещением точки приложения измеряемого усилия (веса объекта) относительно ее номинального положения.

Так как датчики с параллелограммной подвеской являются наиболее распространенными силоизмерительными устройствами, то задача повышения точности измерения усилия продолжает оставаться актуальной для современной техники взвешивания в бытовых и особенно в высокоточных тензометрических весах, при этом основное направление совершенствования указанных датчиков связано с функциональным разделением силовых и измерительных элементов в параллелограммной подвеске.

Известен датчик для измерения усилия [2] в котором имеются два силовых плеча и две пары упругих балочек. Одна пара упругих балочек размещена на периферии, а вторая в средней части параллелограммной подвески. В этой конструкции достигается уменьшение погрешности измерения усилия, связанной с эксцентричным приложением нагрузки, но она остается неприемлимо высокой при использовании данного датчика в высокоточных тензометрических весах.

Известен датчик для измерения деформаций и перемещений при нагружении объекта усилиями [3] в котором применена двойная параллелограммная подвеска с промежуточным вертикальным силовым элементом, параллельным направлению измеряемой деформации. Входное и выходное силовые плечи датчика параллельны промежуточному силовому элементу и смещены друг относительно друга по горизонтали. Благодаря такому исполнению параллелограммной подвески при нагружении датчика входное и выходное силовые плечи перемещаются параллельно направлению измеряемой деформации. Однако, вследствие смещения входного и выходного силовых плеч по горизонтали при их вертикальном перемещении, создается крутящий момент вокруг оси, перпендикулярной направлению измеряемой деформации. Указанный крутящий момент воздействует на другие балочки параллелограммной подвески, что приводит к погрешности при измерениях. Дополнительная погрешность появляется в силу невозможности технологически обеспечить равенство упругих характеристик двух параллелограммных подвесок, так как обе подвески необходимо изготавливать отдельно друг от друга.

Известен датчик для измерения усилия с двойной параллелограммной упругой подвеской [1] при этом один из параллелограммов является чувствительным элементом и помещен в параллелограмм, воспринимающий основные усилия, а связь между параллелограммами осуществляется с помощью штока и точеных опор в виде конусов, что практически исключает нагружение внутреннего параллелограмма моментом от эксцентричного приложения нагрузки. Однако данная конструкция очень чувствительна к изменению температуры, так как при повышении температуры могут появиться дополнительные нагрузки, связанные с неравномерностью температурных деформаций штока и параллелограммной подвески. Конструкция также очень чувствительна к вибрации, особенно если они действуют перпендикулярно штоку. Датчик также не имеет защиты от перегрузок, что является необходимым для высокоточных тензометрических весов.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является датчик для тензометрических весов [5] Этот датчик содержит вертикальных силоизмерительный блок, включающий два силовых плеча, соединенных тремя параллельными упругими балочками с образованием параллелограммной подвески, и тензорезисторы, расположенные на средней упругой балочке. Размещение тензорезистора вблизи нейтральной линии деформации параллелограммной подвески при воздействии момента от эксцентричного приложения нагрузки уменьшает погрешность взвешивания, но не устраняет ее полностью из-за конечности размеров упругой балочки, что делает это решение неприемлемым для высокоточных тензометрических весов. Другим недостатком известного датчика является жесткое крепление средней упругой балочки по верхней и нижней поверхностям, что приводит к ее неравномерному защемлению. Кроме того, для повышения точности измерения усилия упругие балочки работают в зоне малых перемещений и имеют малое внутреннее демпфирование, поэтому при появлении даже малых колебаний датчик может долго не возвращаться к установившемуся значению.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание датчика для тензометрических весов с высокой точностью взвешивания за счет исключения погрешности, связанной со смещением прилагаемого усилия (взвешиваемого объекта) от минимального положения относительно датчика. Дополнительной задачей изобретения является создание датчика для тензометрических весов с повышенной точностью взвешивания за счет устранения неравномерного защемления средней балочки с тензорезисторами. Еще одной задачей изобретения является создание датчика для тензометрических весов с повышенной точностью взвешивания за счет демпфирования малых колебаний параллелограммной подвески.

Поставленные технические задачи решаются тем, что известный датчик для тензометрических весов, содержащий вертикальный силоизмерительный блок, включающий два силовых плеча, соединенных тремя параллельными упругими балочками с образованием параллелограммной подвески, и тензорезисторы, расположенные на средней упругой балочке, снабжен вторым силоизмерительным блоком, идентичным первому, причем оба силоизмерительных блока расположены в вертикальной плоскости и жестко связаны между собой встречно-последовательно.

Кроме того, в каждом силоизмерительном блоке силовые плечи могут быть выполнены Г-образными, при этом нижнее силовое плечо верхнего силоизмерительного блока и верхнее силовое плечо нижнего силоизмерительного блока могут быть выполнены за одно целое.

В каждом силоизмерительном блоке концы средней упругой балочки могут быть размещены в выполненных в вертикальных полках силовых плеч пазах с зазором относительной верхней и торцевой стенок пазов и закреплены на нижних стенках пазов.

В датчик могут быть введены ограничители вертикальных перемещений силовых плеч, каждый из которых расположен между торцем вертикальной полки и противолежащей поверхностью горизонтальной полки с образованием зазора между ними.

Зазор между торцем вертикальной полки и противолежащей поверхностью горизонтальной полки может быть заполнен жидкостью с малым давлением упругости паров.

В качестве жидкости с малым давлением упругости паров могут быть использована кремнийорганическая жидкость.

В этом датчике все перемещения силовых плеч происходят только параллельно друг другу, что исключает появление несанкционированных изгибов и поворотов упругой параллелограммной подвески при смещении груза или прилагаемого усилия от номинальной точки.

Выполнение нижнего силового плеча верхнего силоизмерительного блока за одно целое с верхним силовым плечом нижнего силоизмерительного блока позволяет изготовить оба силоизмерительных блока из одного однородного куска материала, что гарантирует наилучшее совпадение упругих характеристик параллелограммных подвесок обоих блоков. Соответственно получаем одинаковую жесткость обоих силоизмерительных блоков и равенство перемещений упругих параллелограммных подвесок при нагружении, что повышает точность датчика.

Размещение в каждом силоизмерительном блоке концов средней упругой балочки в выполненных в вертикальных полках силовых плеч пазах с зазором относительно верхней и торцевой стенок пазов и закрепление на нижних стенках пазов обеспечивает постоянство условий заделки указанных балочек, так как на верхнюю и торцевую поверхность средней упругой балочки в обоих силоизмерительных балочек, так как на верхнюю и торцевую поверхность средней упругой балочки в обоих силоизмерительных блоках не воздействует никакие усилия (свободные поверхности). Это гарантирует постоянство граничных условий на концах средних упругих балочек в обоих силоизмерительных блоках и исключает ошибку рассогласования при изгибе балочек при нагружении измеряемым усилием (весом объекта), связанную с неравномерным защемлением концов средних упругих балочек.

Заполнение зазора между торцем вертикальной полки и противолежащей поверхностью горизонтальной полки кремнийорганической жидкостью с малым давлением упругости паров, например, силиконовым маслом марки M-1, предотвращает попадание грязи и конденсацию влаги в зазорах, что также обеспечивает стабильность характеристик датчика, а низкое давление упругости паров обеспечивает длительную эксплуатацию датчика без изменения его характеристик. Кроме этого, жидкость в зазорах демпфирует колебания параллелограммной подвески, что также повышает точность взвешивания за счет уменьшения динамической составляющей деформацией и повышает ударную прочность.

На фиг. 1 изображен датчик для тензометрических: весов, общий вид; на фиг. 2- схема соединения тензорезисторов; на фиг.3 второй пример выполнения датчика в соответствии с дополнительными пунктами.

Датчик содержит (см. фиг.1) два идентичных силоизмерительных блока - верхний 1 и 2, расположенные в одной вертикальной плоскости. Силоизмерительный блок 1 (2) имеет два силовых Г-образных плеча 3 и 4 (5 и 6) в виде уголков с попарно параллельными вертикальных 7 и 8 (9 и 10) горизонтальными 11 и 12 (13 и 14) полками, три параллельных упругих балочки 15.17(18.20) с утонениями 21 и 22 на концевых участках, образующими упругие шарниры, тензорезисторы 23.26 (27.30) и ограничители 31 вертикальных перемещений силовых плеч. Вертикальные полки 7 и 8 (9 и 10) силовых плеч 3 и 4 (5 и 6) соединены между собой упругими балочками 15.17 (18.20) с образованием параллелограммной подвески, горизонтальные полки 11 и 12 (13 и 14) силовых плеч выполнены с перекрытием торцев 32 и 33 (34 и 35) вертикальных полок силовых плеч, а ограничители 31 вертикальных перемещений силовых плеч размещены на торцах 32 и 33 (34 и 35) вертикальных полок и оппозитных им поверхностях 36 и 37 (38 и 39) горизонтальных полок силовых плеч с гарантированным зазором δ в каждой паре ограничителей, заполненным кремнийорганической жидкостью силиконовым маслом М-1 (на фиг.1 не показано), что предотвращает попадание грязи и конденсацию влаги в зазорах.

Силовые плечи 3 и 4 (5 и 6 ), ограничители 31 вертикальных перемещений силовых плеч и балочек 15 и 17 (18 и 20) выполнены из одного куска металла электроэрозионной резкой, чем обеспечивается равенство зазоров между ограничителями и идеальная моментная заделка концов упругих балочек 15 и 17 (18 и 20). Средняя упругая балочка 16(19) изготовлена из монокристаллического кремния с кристаллографией ориентацией [100] с диффузионными тензорезисторами 23.26 (27.30) на нагруженных поверхностях указанной балочки в зоне утонений 21 и 22. Концы 40 упругой балочки 16(19) установлены в пазах 41 вертикальных полок 7 и 8(9 и 10) силовых плеч 3 и 4 (5 и 6) с зазором относительно верхней 42 и торцевой 43 стенок и приклеены к нижней поверхности 44 паза 41 через электроизоляционные прокладки 45. Тензорезисторы 23.26(27.30) соединены в мост Уинстона как показано на фиг.2, который одной своей диагональю подключен к источнику стабилизированного питания U_п, а другая диагональ является измерительной. Оба силоизмерительных блока 1 и 2 установлены друг относительно друга по встречно-последовательной схеме и жестко соединены между собой с помощью клея по смежным горизонтальным полкам 12 и 13 силовых плеч 3 и 5, при этом обе измерительные диагонали мостов Уинстона подключаются к измерительно-информационному блоку 46, где осуществляется суммирование и нормирование сигналов от измерительных диагоналей мостов Уинстона. Горизонтальная полка 11 силового плеча 3 образует подвижное основание датчика, на котором устанавливается весовая платформа (на чертеже не показана), а горизонтальная полка 14 силового плеча образует неподвижное основание датчика.

По второму примеру выполнения датчика (см. фиг.3) нижнее силовое плечо 3 верхнего силоизмерительного блока 1 и верхнее силовое плечо 5 нижнего силоизмерительного блока 2 выполнены за одно целое, то есть в виде T-образного элемента 47 с образованием общей горизонтальной полки 48, свободный конец которой расположен между торцами 33 и 35 вертикальных полок 8 и 10 силовых плеч 4 и 6, при этом ограничители 31 вертикальных перемещений силовых плеч 4 и 6 размещены на верхней 49 и нижней 50 плоскостях свободного конца общей консольной горизонтальной полки 48.

Ограничители 31 вертикальных перемещений силовых плеч могут быть выполнены за одно целое с силовыми плечами, как показано на рисунках 1 и 3, либо в виде отдельных элементов: штифтов, арретиров, упоров и т.п. Ограничивающий зазор может быть образован либо самими ограничителями, либо торцем ограничителя и поверхностью смежного плеча.

Датчик работает следующим образом.

При нагружении датчика силой P подвижное основание горизонтальная полка 11 силового плеча 3 перемещается вниз. В каждом силоизмерительном блоке происходит поворот всех трех упругих балочек на некоторый угол. Ввиду того, что все три упругие балочки 15.17 (18.20) выполнены одинаковой длины, угловые и линейные перемещения упругих балочек будут равны. При этом жестко соединенные силовые плечи 3 и 5 верхнего 1 и нижнего 2 силоизмерительных блоков перемещаются плоскопараллельно без поворота, а следовательно, продольная сила не возникает. На тензорезисторы 23.26 (27.30) воздействуют механические напряжения от изгиба, которые пропорциональны прикладываемой силе P/2, причем на парах тензорезисторов 23, 24 и 25, 26 (27, 28 и 29, 30) изгибные напряжения имеют разный знак. Тензорезисторы изменяют свое сопротивление, происходит разбаланс моста Уинстона и на его измерительной диагонали возникает напряжение, линейно зависящее от прикладываемой силы P/2. При смещении силы P вдоль продольной оси параллелограммной подвески на силоизмерительные блоки 1 и 2 помимо вертикальной силы воздействуют разнонаправленные изгибающие моменты в плоскости датчика. Эти моменты вызывают продольные деформации и напряжения растяжения-сжатия упругих балочек 15 и 17 (18 и 20) и, вследствие этого, некоторый поворот концов средней упругой балочки 16 (19), их изгиб и возникновение паразитных сигналов на измерительных диагоналях мостов, что приводит к погрешности измерения. Компенсация этой погрешности осуществляется за счет встречно-последовательной установки силоизмерительных блоков 1 и 2, то есть когда каждый силоизмерительный блок является как бы зеркальным отображением другого, и их жестким соединением между собой. В этом случае осуществляется поворот упругих балочек 16 (19) строго на один и тот же угол, но относительно силовых плеч 3 и 5 в разные стороны. Паразитные сигналы с силоизмерительных блоков 1 и 2 получаются разного знака и при суммировании они друг друга компенсируют. Полная компенсация этой погрешности возможна в случае идентичности механических характеристик силоизмерительных блоков, что может быть обеспечено технологически в защищаемой конструкции датчика для тензометрических весов, а также путем подбора коэффициента усиления сигнала одного блока относительно другого. Защита от перегрузки датчика осуществляется за счет гарантированного зазора d между ограничителями 31 вертикальных перемещений силовых плеч.

Сущность изобретения: датчик содержит два идентичных вертикально расположенных и жестко связанных встречно-последовательно силовых блока. Каждый силовой блок включает два силовых плеча, соединенных тремя параллельными упругими балочками, образующими параллелограммную подвеску, и тензорезисторы, размещенные на средней балочке. Силовые плечи каждого блока выполнены Г-образными, нижнее силовое плечо верхнего силоизмерительного блока и верхнее силовое плечо нижнего силоизмерительного блока выполнены за одно целое. Концы средней упругой балочки размещены в пазах, выполненных в вертикальных полках силовых плеч, с зазором относительно верхней и торцевой стенок пазов и закреплены на нижних стенках пазов. Силовые плечи выполнены с ограничителями вертикальных перемещений, расположенными между торцем вертикальной полки и противолежащей поверхностью горизонтальной полки с образованием зазоров, которые могут быть заполнены жидкостью с малым давлением упругости паров, в качестве которой может быть использована кремнийорганическая жидкость. 5 з.п. ф-лы. 3 ил.

1. Датчик для тензометрических весов, содержащий вертикальный силоизмерительный блок, включающий два силовых плеча, соединенных тремя параллельными упругими балочками с образованием параллелограммной подвески, и тензорезисторы, расположенные на средней упругой балочке, отличающийся тем, что датчик снабжен вторым силоизмерительным блоком, идентичным первому, причем оба силоизмерительных блока расположены в вертикальной плоскости и жестко связаны между собой встречно-последовательно. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что в каждом силоизмерительном блоке силовые плечи выполнены Г-образными, при этом нижнее силовое плечо верхнего силоизмерительного блока и верхнее силовое плечо нижнего силоизмерительного блока выполнены за одно целое. 3. Датчик по п.1 или 2, отличающийся тем, что в каждом силоизмерительном блоке концы средней упругой балочки размещены в выполненных в вертикальных полках силовых плеч пазах с зазором относительно верхней и торцевой стенок пазов и закреплены на нижних стенках пазов. 4. Датчик по п.2 или 3, отличающийся тем, что в него введены ограничители вертикальных перемещений силовых плеч, каждый из которых расположен между торцом вертикальной полки и противолежащей поверхностью горизонтальной полки с образованием зазора между ними. 5. Датчик по п.1, отличающийся тем, что зазор между торцом вертикальной полки и противолежащей поверхностью горизонтальной полки заполнен жидкостью с малым давлением упругости паров. 6. Датчик по п.5, отличающийся тем, что в качестве жидкости с малым давлением упругости паров использована кремнийорганическая жидкость.