СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАССЫ ГРУЗА В ТРАНСПОРТНОМ СРЕДСТВЕ Российский патент 1998 года по МПК G01G19/08 

Изобретение относится к весоизмерительной технике и может быть использовано в различных отраслях промышленности и транспорта для определения массы сыпучих (песок, мука, цемент и т.п.) и наливных (сжиженный газ, нефтепродукты, молоко, химические реактивы и т.п.) грузов при погрузке или выгрузке транспортного средства.

Известны способ и устройство для взвешивания транспортных средств, основанные на регистрации выходных сигналов нескольких горизонтально разнесенных силоизмерительных преобразователей, установленных между грузоприемной платформой и фундаментом. Верхний конец каждого преобразователя удерживает платформу, а нижний находится на опорном элементе фундамента [1]. При реализации данного способа массу груза определяют путем взвешивания заполненного и опорожненного транспортного средства и вычитания полученных величин:
M = М_п - М_г,
где
М - масса груза в транспортном средстве;
М_п - масса заполненного грузом транспортного средства;
М_г - масса опорожненного транспортного средства (масса тары).

Недостатком указанного способа являются громоздкость и высокая стоимость необходимого для его реализации оборудования (сооружение монолитного фундамента, необходимость периодической профилактики, градуировки и поверки силоизмерительных преобразователей), а также большие затраты времени и средств на передвижение транспортного средства от места погрузки или выгрузки до весоизмерительного устройства.

Из известных способов наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ, основанный на измерении вертикального перемещения грузоприемной платформы транспортного средства относительно его осей за счет деформации пружин, установленных между платформой и осями (прототип) [2]. Вертикальное перемещение платформы измеряется датчиком индукционного типа, вырабатывающим электрический сигнал, характеризующий относительное положение двух элементов датчика, связанных с платформой и с осью транспортного средства. Известны также технические решения по реализации данного способа с использованием тензометрического [3] , резистивного [4], магнитного [5] и оптического [6] датчиков перемещения.

Недостатками известного способа являются необходимость градуировки и периодической поверки датчиков перемещения, а также низкая точность взвешивания, обусловленная тем, что коэффициент жесткости пружин может изменяться в процессе эксплуатации транспортного средства и в результате сезонных перепадов температуры.

Целью настоящего изобретения является повышение точности определения массы груза, удешевление измерительного оборудования и обеспечение возможности взвешивания груза непосредственно в местах его погрузки или выгрузки, не оборудованных стационарными платформенными весами.

Для достижения решения поставленной цели в способе определения массы груза в транспортном средстве, включающем измерение вертикального перемещения грузоприемной платформы в процессе погрузки или выгрузки транспортного средства, измерение вертикального перемещения производят не менее, чем в трех состояниях загруженности транспортного средства, и дополнительно проводят измерение вертикального перемещения платформы при наложении эталонного груза заданной массы в каждом из состояний загруженности, а массу груза рассчитывают по формуле:

где
М - масса груза в транспортном средстве;
m - масса эталонного груза;
n - количество состояний загруженности транспортного средства, в которых проводят измерения вертикального перемещения;
δ_i - вертикальное перемещение платформы при наложении эталонного груза в i-м состоянии загруженности;
d_i= (δ_i+δ_i-1)/2 - среднее вертикальное перемещение платформы при наложении эталонного груза между i и i-1-м состоянием загруженности;
- максимальная величина вертикального перемещения платформы при полной выгрузке;
l_o - расстояние от базисной точки платформы до уровня дорожного полотна для заполненного транспортного средства;
l_n - расстояние от базисной точки платформы до уровня дорожного полотна для порожнего транспортного средства;
до основания 13 для порожней цистерны;
L_i = (L_i-L_i-1) - изменение расстояния от базисной точки платформы до уровня дорожного полотна между i и i-1-м состоянием загруженности;
ΔM - абсолютная погрешность определения массы груза М.

Относительную погрешность определения массы груза ε_M рассчитывают по формуле;

где - относительная погрешность измерения величины вертикального перемещения l;
- относительная погрешность измерения массы эталонного груза;
- относительная погрешность измерения среднего вертикального перемещения d.

Здесь ΔL, Δm, Δd - абсолютные погрешности измерения соответствующих величин L, m, d (предполагается, что d=d₁= =d₂=...=d_n=d_min; L=L₁=L₂=...=L_n= L_max).

Выбор массы эталонного груза m производят по формуле:

где
M^* - ожидаемая масса груза (грузоподъемность транспортного средства, указанная в его паспорте);
- требуемое значение относительной погрешности определения массы груза М;
- реальные значения относительных погрешностей измерения величин L, m и d.

На чертеже представлена схема, поясняющая сущность способа (на примере цистерны с наливным грузом). Цистерна 1 с наливным грузом 2, снабженная сливным патрубком 9, укреплена на грузоприемной платформе 3, которая через систему рессор 5 опирается на колесные пары 4, установленные на рельсовой решетке (рельсы 6 и шпалы 7), находящейся на земляном полотне 8. Эталонный груз 10 с помощью подъемного устройства 11 может быть наложен на цистерну 1. Для измерения вертикального перемещения платформы 3 используется датчик (индикатор) перемещения 12, опирающийся нижним концом на основание 13, жестко связанное с рельсами 6, а верхним концом - на нижнюю плоскость А-А платформы 3.

Способ реализуется следующим образом. Для каждого из i = 0, 1, 2,...,n состояний загруженности цистерны 1 наливным грузом 2 (i=0 соответствует полной загрузке цистерны, i=n соответствует полностью опорожненной цистерне) измеряют расстояние l_i от базисной точки в плоскости А-А платформы 3 до основания 13 с помощью датчика 12 (см. чертеж). Эти измерения проводят в процессе опорожнения (или заполнения) цистерны 1 наливным грузом 2 через патрубок 9. Дополнительно для каждого из i = 1,2,...,n состояний загруженности цистерны 1 измеряют датчиком 12 вертикальное перемещение δ_i(i=0,1,2,...,n) базисной точки в плоскости А-А при наложении на цистерну 1 эталонного груза 10 с помощью подъемного устройства 11 (см.чертеж). В результате измерений получают два ряда величин:
l_i (i=0,1,2,...,n) - расстояния от базисной точки в плоскости А-А платформы 3 до основания 13 при различных состояниях загруженности цистерны;
δ_i(i=0,1,2,...,n) - вертикальные перемещение платформы при наложении эталонного груза для различных состояний загруженности цистерны.

В рамках модели упругой деформации зависимость вертикального перемещения платформы при сжатии рессорных пружин от воздействия нагрузки описывается законом Гука [7]:

где
- относительная деформация пружин (вертикальное перемещение);
x_o - длина пружин в отсутствии нагрузки;
x - длина пружин при нагрузке;
E - модуль упругости пружин;
F - M•g - действующая сила (вес нагрузки), g=9,81m•c^-2 - ускорение свободного падения.

Рассматриваемая система включает целый ряд упругих элементов, испытывающих деформацию при нагрузке цистерны. Это система рессор 5, упругие балки грузоприемной платформы 3, рельсы 6, земляное полотно 8 и т.п.

С учетом этого закон Гука следует записать в виде:

где E_j - модули упругости отдельных элементов системы.

Поскольку определение отдельных составляющих E_j затруднительно, целесообразно заменить их неким эквивалентным модулем упругости, предполагая аддитивность отдельных его составляющих:

При заданном E_θ , который можно определить, например, для каждого транспортного средства путем градуировки с помощью стационарных железнодорожных весов, определение массы груза М сводится к измерению вертикального перемещения платформы и расчету М по формуле:

где
- вертикальное перемещение при полной выгрузке (или погрузке) цистерны;
- эквивалентный коэффициент жесткости упругой системы (определяется градуировкой).

Использование формулы (8) приводит к большим погрешностям в определении массы груза, обусловленным следующими факторами:
1. Жесткость рессор K_θ не одинакова для разных транспортных средств.

2. Жесткость рессор K_θ не одинакова даже для одного и того же транспортного средства при сезонных изменениях температуры (от - 40^oC до +40^oC).

3. Величина K_θ может изменяться в результате длительной эксплуатации транспортного средства (деформация, "усталость" металла и т.п. эффекты).

4. Величина K_θ может иметь нелинейную зависимость от состояния загруженности.

5. При использовании формулы (8) необходимо проводить измерения вертикального перемещения платформ на одном и том же участке железнодорожного пути, что не всегда удобно при погрузочно-выгрузочных операциях.

Предлагаемый способ полностью устраняет указанные недостатки. При реализации данного способа эквивалентный коэффициент жесткости K_θ определяется для каждого диапазона упругой деформации , причем с целью повышения точности его определения берется среднее его значение между i и i-1-м состоянием загруженности

где d_i= (δ_i+δ_i-1)/2 - среднее вертикальное перемещение платформы при наложении эталонного груза между i и i-1-м состоянием загруженности.

Подставляя (9) и (8), получим рабочую форму для определения массы груза М:

здесь L_i= l_i-l_i-1 - вертикальное перемещение цистерны между i и i-1 состояниями загруженности.

При реализации данного способа количество состояний загруженности n, в которых проводят измерения вертикального перемещения l_i, δ_i, должно быть не менее трех с целью контроля выполнения закона Гука (чем больше n, тем точнее результат определения М). Вместе с тем для любого состояния загруженности можно определить массу груза, залитого или слитого к данному моменту по измеренной величине l₁.

Предлагаемый способ имеет следующие преимущества:
1. Высокая точность измерения, обусловленная точностью измерения массы эталонного груза и погрешностью индикатора вертикального перемещения.

2. Низкая стоимость измерительного устройства и оборудования по сравнению со стационарными платформенными весами.

3. Отсутствие операций периодической градировки и поверки.

4. Возможность взвешивания груза непосредственно в местах его погрузки или выгрузки, не оборудованных стационарными платформенными весами.

Погрешность определения массы груза М находится по стандартной методике [8] дифференцированием выражения (10).

Предположим, что
d = d₁ = d₂ = ... = d₃ = d_min
L = L₁ = L₂ = ... = L₃ = L_max
В этом случае получим верхнюю оценку погрешности

- относительняае погрешности измерения m, L, d

и тогда

где
- относительные погрешность определения массы груза.

Найдем выражение для выбора массы эталонного груза. Заменяя в (14) величину d по формуле:

получим:

Из (16) выразим величину m:

где
М^* - ожидаемая масса груза (грузоподъемность транспортного средства);
- требуемая относительная погрешность определения массы груза;
- реальные значения относительных погрешностей измерения L и m соответственно.

Как следует из (16), чем выше m, тем точнее будет результат определения массы груза М. Однако чрезмерное увеличение m приведет к необходимости использования громоздкого устройства для наложения m.

Формула (17) позволяет оптимально выбрать один из основных параметров для реализации предлагаемого способа - массу эталонного груза m.

Источники информации:
1. Заявка N 2125175, Великобритания, кл. 6016 19/02. Платформенные весы. Публикация 84.02.29 N 4957.

2. Патент США N 4106579, 6016 19/08. Устройство для измерения нагрузки на самоходное транспортное средство (прототип). Публикация 15 августа 1978 г., т. 973, N 3.

3. Заявка N 1327697, Великобритания, кл. 6016 12/12. Публикация 73.08.22. N 4404.

4. Заявка N 1288386, Великобритания, кл. 6016 19/12. Электрический способ измерения нагрузки транспортного средства. Публикация 72.09.13.

5. Заявка N 1292816, Великобритания, кл. 6016 19/12. Весы. Публикация 72.10.11.

6. Патент США N 3867990, кл. 6016 19/08. Публикация 75.02.25, т. 931, N 4.

7. Савельев И.В. Курс общей физики, т. 1.-М.: Наука, 1982, 432 с.

8. Кассандрова О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов наблюдений. -М.: Наука, 1970, 104 с.

Способ может быть использован в различных отраслях промышленности и транспорта для определения массы сыпучих и наливных грузов. Способ заключается в измерении вертикального перемещения грузоприемной платформы в процессе ее загрузки или разгрузки не менее, чем в трех состояниях загруженности транспортного средства, а также в дополнительных измерениях вертикального перемещения платформы при наложении эталонного груза заданной массы в каждом из состояний загруженности. Масса груза в транспортном средстве рассчитывается по формуле, выведенной на основании закона Гука. Преимуществами способа являются высокая точность измерений, обусловленная точностью измерения массы эталонного груза и погрешностью индикатора вертикального перемещения платформы, низкая стоимость измерительного устройства и оборудования по сравнению со стационарными платформенными весами, отсутствие операций периодической градуировки и поверки, а также возможность взвешивания груза непосредственно в местах его погрузки или выгрузки, не оборудованных стационарными платформенными весами. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения массы груза в транспортном средстве, основанный на измерении вертикального перемещения грузоприемной платформы относительно уровня дорожного полотна, отличающийся тем, что величину вертикального перемещения измеряют в n состояниях загруженности транспортного средства, где n ≥ 3, и дополнительно проводят измерения вертикального перемещения при наложении эталонного груза заданной массы в этих же n состояниях загруженности, а массу груза M вычисляют по формуле

где m - масса эталонного груза;
n - количество состояний загруженности транспортного средства, в которых проводят измерения вертикального перемещения;
d_i - среднее вертикальное перемещение грузоприемной платформы при наложении эталонного груза в i и (i - 1) состоянии загруженности;
L_i - вертикальное перемещение грузоприемной платформы между i и (i - 1) состояниями загруженности;
ΔM - абсолютная погрешность определения массы M груза. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно рассчитывают относительную погрешность определения массы M груза по формуле

где средние относительные погрешности измерения L_i, m, d_i соответственно. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что массу m эталонного груза определяют по формуле

где M^* - грузоподъемность транспортного средства;
заданная относительная погрешность определения массы M груза.