ГРУЗОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ВЕСОВ Российский патент 2000 года по МПК G01G19/04 

Изобретение относится к приборостроению, в частности к весоизмерительной технике, и может использоваться для взвешивания различных объектов в статическом и динамическом режимах.

Известно устройство для измерения веса (по патенту Австралии N 610113, МКИ G 01 G 19/04 от 15.01.88, опубл. 20.07.89), содержащее участок рельса, несущий нагрузку и расположенный на двух опорах, по обе стороны которого расположены два измерителя деформаций, состоящие из тензорезисторов, соединенных в электромостовую схему.

Известно также устройство сдвигового балочного датчика силы (по патенту США N 4459863, МКИ G 01 L 1/22 от 09.08.82, опубл. 17.07.84), содержащее консольную балку, состоящую из деформируемой измерительной части и жесткой опорной части. В углублениях, выполненных на противоположных сторонах измерительной части и образующих несимметричный профиль двутавра, имеются тензорезисторы, расположенные под углами 45^o и 135^oC симметрично продольной нейтральной оси измерительной части балки и соединенные в электромостовую схему.

Недостатками первого устройства являются невозможность регулировки чувствительностей тензорезисторов на стадии изготовления устройства для достижения точных результатов взвешивания и отсутствие упругих элементов в виде углублений поперечного сечения балки, делающее невозможными его практическую реализацию в силу малости выходного сигнала от тензорезисторов. У второго устройства упругие элементы выполнены так, что не позволяют производить регулировку чувствительности тензорезисторов после их установки, необходимую для достижения невосприимчивости измерения нагрузки к мешающим силовым факторам, к которым относятся крутящий момент, боковая и продольная силы, действующие на балку и возникающие вследствие непостоянства положения точки приложения нагрузки от взвешиваемого объекта, разночувствительности тензорезисторов из-за несовершенства геометрических размеров балки и неточности установки тензорезисторов.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является грузоприемное устройство железнодорожных весов (по авторскому свидетельству СССР N 1291827 МКИ G 01 G 19/04 от 03.12.84, опубл. 23.02.87, бюл. N 7), содержащее измерительный участок рельсов с тензорезисторами, установленными в зоне нейтральной плоскости рельса. Устройство имеет упругие элементы в виде колец, установленные попарно на концах измерительного участка рельсов с обеих сторон от него, причем каждый упругий элемент закреплен на вертикальной стенке измерительного рельса в четырех точках, попарно симметричных относительно центра кольца, с расположением каждой пары точек крепления под прямым углом друг к другу. Тензорезисторы расположены по два в зонах крепления упругих элементов на внутренней поверхности колец, а в вертикальной стенке измерительного рельса, в указанных зонах, выполнены сквозные пазы, оси которых концентричны упругим элементам, размещенным в концентричных отверстиях стенки рельса.

В этом устройстве предусмотрена возможность еще при наладке выявить и исключить из результатов измерений показания пар тензорезисторов, в наибольшей мере чувствительных к изменению положения нагрузки на измерительном рельсе, то есть обеспечить независимость величины сигнала от положения нагрузки на измерительном рельсе. Точная регулировка измерительных узлов обеспечивается сквозными пазами, в пределах которых возможен поворот кольцевых упругих элементов относительно своих осей.

Недостатком известного устройства является следующее. В действительности сложность формы кольцевых упругих элементов и пазов, которые требуется выполнить в вертикальной стенке рельса, затрудняет практическую реализацию грузоприемного устройства для железнодорожных весов. Точная регулировка отдельных тензорезисторов и измерительных узлов в целом, учитывая необходимость одновременной установки упругих элементов с обеих сторон вертикальной стенки рельса, также затруднена, при этом в силу болтовой фиксации упругих элементов в сквозных пазах рельса результаты этой регулировки будут действовать только в пределах ограниченного периода эксплуатации указанного грузоприемного устройства. Поскольку болтовая фиксация упругих элементов в сквозных пазах рельса является нежесткой, чувствительность будет заметно и неоднозначно зависеть от температурного состояния рельса, от характера изменения нагрузки (нагружение или разгружение датчика) и от времени эксплуатации, что неизбежно приведет к росту погрешности взвешивания. В процессе эксплуатации при влиянии внешних воздействий это приведет к повышению погрешности взвешивания, а значит, в результате выходной сигнал устройства окажется неадекватным поперечной силе, то есть измеряемой нагрузке на рельс.

В основу изобретения положена задача создания грузоприемного устройства с высокой точностью измерения массы объекта в статическом и динамическом режимах и надежностью, не изменяющимися в течение всего срока эксплуатации.

Поставленная задача решается тем, что грузоприемное устройство весов содержит измерительный участок рельса, на каждом из концов вертикальной стенки которого выполнены углубления в поперечном сечении рельса для образования упругих элементов, с двух сторон каждого из которых симметрично продольной нейтральной оси рельса установлены тензорезисторы. Углубления выполнены в виде многоугольника с четным количеством скругленных углов, контур которого повторяет выполненное в центре многоугольника сквозное отверстие, при этом центры радиусов округления углов многоугольника и сквозного отверстия и радиуса установки центра тензорезистора расположены на одной линии, проходящей через центр сквозного отверстия, а радиусы округления углов многоугольника, сквозного отверстия и установки центра тензорезисторов выбраны с учетом чувствительности тензорезисторов. Упругий элемент может быть выполнен в виде квадрата, две стороны которого параллельны продольной оси рельса, а радиусы установки центра тензорезисторов, расположенных в диагоналях сжатия, на 10 - 30% больше, чем радиусы установки центров тензорезисторов, расположенных в диагоналях растяжения.

Форма упругого элемента в виде многоугольника, в данном случае в виде квадрата, позволяет разместить тензорезисторы между скругленным углом квадратного отверстия и соответственно скругленным углом внешнего квадрата упругого элемента, определяя радиус установки центра тензорезистора. Эти три радиуса лежат на одной линии, проходящей через центр сквозного отверстия упругого элемента, и выбираются с учетом чувствительности тензорезисторов. Тензорезисторы размещаются попарно в диагоналях квадрата, образуя диагональ сжатия, где тензорезисторы работают на сжатие при действии вертикальной нагрузки на рельс, и диагональ растяжения, где тензорезисторы попарно испытывают растягивающие усилия. На концах вертикальной стенки измерительного участка рельса выполнены углубления в поперечном сечении рельса, которые образуют два упругих элемента и содержат одинаковое количество тензорезисторов. Тензорезисторы расположены с двух сторон упругого элемента симметрично продольной оси рельса, а также симметрично нейтральной оси рельса и попарно сориентированы в скругленных углах квадрата или многоугольника, где диагонали сжатия и растяжения должны быть взаимно перпендикулярны. Тензорезисторы скоммутированы в электромостовую схему, на выходе которой снимается сигнал, равный сумме деформаций всех работающих тензорезисторов, который пропорционален нагрузке, действующей на рельс. Выходная характеристика устройства является суммой характеристик деформаций тензорезисторов, работающих на сжатие, и тензорезисторов, работающих на растяжение.

При установке тензорезисторов на упругом элементе должно выполняться следующее условие, что радиусы установки центров тензорезисторов в диагоналях сжатия должны быть на 10 - 30% больше, чем радиусы установки центров тензорезисторов в диагоналях растяжения. После установки тензорезисторов сначала определяется чувствительность тензорезисторов, работающих на сжатие, и выбирается тензорезистор с наибольшей чувствительностью. При подборе радиусов скругления углов внешнего квадрата упругого элемента, и особенно внутренних радиусов сквозного квадратного отверстия для каждого работающего на сжатие тензорезистора в отдельности, происходит выравнивание характеристик чувствительности остальных тензорезисторов, работающих на сжатие. Затем аналогичным образом определяется чувствительность тензорезисторов, работающих на растяжение, и выбирается тензорезистор с наибольшей чувствительностью. Путем подбора радиусов скругления углов внешнего квадрата и внутреннего квадратного отверстия в диагоналях растяжения для каждого тензорезистора происходит выравнивание чувствительностей остальных тензорезисторов, работающих на растяжение.

Если радиусы установки центров тензорезисторов в диагоналях сжатия будут больше на 10 - 30%, чем радиусы установки центров тензорезисторов в диагоналях растяжения, а также будут выравнены чувствительности тензорезисторов подбором радиусов скругления углов многоугольника или квадрата, то сумма характеристики деформаций тензорезисторов, работающих на сжатие, и характеристики деформаций тензорезисторов, работающих на растяжение, дадут почти линейную выходную характеристику устройства, которая пропорциональна нагрузке на рельс, то есть массе взвешиваемого объекта.

Возможность регулировки чувствительности тензорезисторов в диагоналях сжатия и растяжения за счет радиуса установки центра тензорезисторов существенно снижает нелинейность выходной характеристики устройства при нахождении нагрузки на краях измерительного участка рельса.

Изменение радиусов скругления углов квадрата упругого элемента и отверстия после установки тензорезисторов обеспечивает полную компенсацию несовершенства геометрических размеров рельса, неточности установки тензорезисторов, влияние изгибающих и крутящих моментов, продольных и боковых сил, температуры и устранение зависимости измерительной характеристики устройства от точки приложения нагрузки.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет повысить точность измерений массы, которая остается неизменной на всем периоде эксплуатации. Выполнение упругих элементов в виде составной части рельса повышает надежность за счет устранения элементов крепления и сложных форм сопряжения упругих элементов с балкой или рельсом.

На фиг. 1 схематично представлено предлагаемое устройство; на фиг. 2 изображено сечение А-А (см. фиг. 1); на фиг. 3 изображен пример формы левого упругого элемента и показаны места установки тензорезисторов с зонами регулировки их чувствительности, причем правый упругий элемент симметричен левому; на фиг. 4 показана зависимость чувствительности тензорезистора от радиуса скругления угла внутреннего квадратного отверстия упругого элемента; на фиг. 5 показана зависимость чувствительности тензорезистора от радиуса скругления угла внешнего квадрата упругого элемента; на фиг. 6 показана зависимость чувствительности тензорезистора от радиуса установки центра тензорезистора; на фиг. 7 показана характеристика деформации всех тензорезисторов, являющаяся суммой характеристики деформации тензорезисторов, работающих на сжатие, и характеристики деформации тензорезисторов, работающих на растяжение.

Устройство состоит из измерительного рельса 1 длиной L, упругих элементов 2 и 3, расположенных по концам вертикальной стенки измерительного рельса (фиг. 1). На концах вертикальной стенки измерительного участка выполнены углубления в поперечном сечении рельса со сквозным отверстием 4 в центре (фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1). Упругий элемент 2 содержит тензорезисторы 5 - 8, которые расположены симметрично нейтральной оси рельса (фиг. 3). Два упругих элемента 2 и 3 содержат по восемь тензорезисторов каждый, расположенных симметрично продольной оси рельса по обе стороны вертикальной стенки рельса. Тензорезисторы на упругом элементе устанавливаются попарно по диагоналям противоположных углов квадрата и определяются радиусом R_т (фиг. 3). Центры радиусов округления смежных сторон внешнего квадрата упругого элемента R_у и внутреннего квадратного отверстия R_о вместе с центром радиуса R_т лежат на одной линии, проходящей через центр отверстия (фиг. 3). Радиусы установки центров тензорезисторов, расположенных в диагоналях сжатия, на 10 - 30% больше, чем радиусы в диагоналях растяжения. Форма сквозного отверстия 4 в виде квадрата, стороны которого параллельны и перпендикулярны продольной оси рельса, повторяет внешний контур упругого элемента. Тензорезисторы упругих элементов скоммутированы в электромостовую схему (не показана).

Устройство работает следующим образом. Нагрузка от объекта взвешивания попадает на измерительный рельс между упругими элементами 2 и 3 с тензорезисторами (фиг. 1). Расстояние L может быть различным в зависимости от специфики взвешиваемых объектов, точности измерений и требований к ресурсу рельса. На участках рельса, расположенных слева и справа от измеряемой нагрузки P, действуют соответственно поперечные силы Q₁ и Q₂, зависящие от координаты нагрузки, причем сумма этих сил равна измеряемой нагрузке Р. Рельс воздействует на упругие элементы, и в результате деформируются диагонали квадрата с тензорезисторами. При этом тензорезисторы упругого элемента 2, расположенные попарно в диагоналях сжатия 6 и 8, сжимаются, а в диагоналях растяжения 5 и 7 - растягиваются (фиг. 3). Четыре тензорезистора, расположенные симметрично продольной оси на другой стороне вертикальной стенки рельса, работают аналогичным образом (фиг. 2). Восемь тензорезисторов упругого элемента 3 работают аналогично тензорезисторам упругого элемента 2. Упругий элемент имеет форму квадрата и является углублением в поперечном сечении вертикальной стенки рельса со сквозным отверстием. Отверстие также имеет форму квадрата со скругленными углами. Стороны этих квадратов повторяют друг друга и параллельны и перпендикулярны продольной оси рельса. Радиусы скругления R_у и R_о (фиг. 3) выбираются с учетом чувствительности тензорезисторов. На фиг. 4 показана зависимость чувствительности S тензорезистора от R_о, радиуса скругления одного из углов внутреннего сквозного квадратного отверстия. На фиг. 5 показана зависимость чувствительности S тензорезистора от R_у, радиуса скругления одного из углов внешнего квадрата упругого элемента. Центры тензорезисторов устанавливаются на расстоянии R_т от центра отверстия на одной линии с центрами радиусов скругления углов внешнего квадрата упругого элемента и внутреннего квадратного отверстия (фиг. 3). Радиусы установки центра тензорезисторов, расположенных в диагоналях сжатия, должны быть на 10 - 30% больше, чем радиусы в диагоналях растяжения. При таком соотношении радиусов чувствительность тензорезисторов, расположенных в диагоналях сжатия, будет на 20 - 40% меньше, чем в диагоналях растяжения. На фиг. 6 представлена зависимость чувствительности тензорезистора от радиуса установки его центра. После установки тензорезисторов на упругие элементы сначала определяется наибольшая чувствительность тензорезистора, работающего в диагоналях сжатия. При подборе радиусов R_у и R_о, расположенных в диагоналях сжатия, происходит выравнивание чувствительностей каждого из оставшихся тензорезисторов, работающих в диагоналях сжатия, относительно чувствительности первоначально выбранного тензорезистора. Определяется суммарная характеристика деформации всех работающих на сжатие тензорезисторов двух упругих элементов на длине L измерительного участка рельса (фиг. 7, кривая 9). Затем аналогично определяется суммарная характеристика деформации всех работающих на растяжение тензорезисторов двух упругих элементов на длине L измерительного участка рельса (фиг. 7, кривая 10). Кривая 11 (фиг. 7) показывает суммарную характеристику деформации всех тензорезисторов, которая складывается из характеристики деформации тензорезисторов, работающих на сжатие (кривая 9), и характеристики деформации тензорезисторов, работающих на растяжение (кривая 10).

Пунктиром на фиг. 7 (кривая 12) показана суммарная характеристика деформации тензорезисторов, работающих на сжатие, чувствительность которых не регулировалась за счет радиуса установки центра тензорезистора. Суммарная характеристика деформации всех тензорезисторов (обозначенная пунктиром кривая 13), которая получается сложением характеристики деформации нерегулированных тензорезисторов, работающих на сжатие (кривая 12), и характеристики деформации тензорезисторов, работающих на растяжение (кривая 10), имеет заметную нелинейность при нахождении нагрузки вблизи упругого элемента. Нелинейность объясняется влиянием нескомпенсированных деформаций сжатия, которые при приближении нагрузки к упругому элементу возрастают сильнее, чем снижаются деформации растяжения. Предварительное снижение чувствительности тензорезисторов, работающих на сжатие, позволяет существенно сократить нелинейность суммарной характеристики деформации всех тензорезисторов. Уменьшение чувствительности тензорезисторов, работающих на сжатие, на 20 - 40% по сравнению с чувствительностью тензорезисторов, работающих на растяжение при подборе радиуса установки центра тензорезисторов, дает почти линейную суммарную характеристику всех работающих тензорезисторов. Разница в чувствительностях тензорезисторов, работающих на сжатие, и тензорезисторов, работающих на растяжение, не приводит к появлению заметного влияния на деформацию упругих элементов нагрузки, находящейся вне пределов измерительного участка рельса.

Работа упругих элементов в форме многоугольника аналогична работе упругого элемента в форме квадрата. Диагонали сжатия и растяжения в многоугольнике должны быть взаимно перпендикулярны. Определение чувствительности каждого тензорезистора в зависимости от радиусов округления внешнего многоугольника и внутреннего сквозного отверстия многоугольника и радиуса установки центра тензорезистора позволяет выравнять характеристики всех тензорезисторов, устранить нелинейность выходной характеристики устройства на краях измерительного участка и получить линейную характеристику суммарной деформации тензорезисторов от положения точки приложения нагрузки.

Характеристика упругих элементов с тензорезисторами при условии выполнения расстояния между упругими элементами с учетом специфики взвешиваемых объектов позволяет выполнять распознавание вида и измерение скорости движения взвешиваемого объекта при динамическом взвешивании.

Грузоприемное устройство прошло апробацию на 50 образцах, внедренных в различных отраслях промышленности.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения массы неподвижных и движущихся объектов. Устройство содержит упругие элементы, попарно установленные на концах измерительного участка рельса, с тензорезисторами. Тензорезисторы установлены симметрично относительно продольной нейтральной оси рельса. Упругие элементы выполнены в форме многоугольника со скругленными углами со сквозным отверстием в центре, выполненным также в форме многоугольника со скругленными углами. Радиусы скругления углов многоугольника, сквозного отверстия и установки центра тензорезисторов выбраны с учетом чувствительности тензорезисторов. Радиусы установки центра тензорезисторов, расположенных в диагоналях сжатия, на 10 - 30% больше, чем радиусы установки центров тензорезисторов, расположенных в диагоналях растяжения. Технический результат - повышение точности измерения массы за счет компенсации отрицательно влияющих факторов и повышение надежности за счет устранения элементов крепления и сложных форм сопряжений. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Грузоприемное устройство весов, содержащее измерительный участок рельса, на каждом из концов вертикальной стенки которого выполнены углубления в поперечном сечении рельса для образования упругих элементов, с двух сторон каждого из которых симметрично относительно продольной нейтральной оси рельса установлены тензорезисторы, отличающееся тем, что углубления выполнены в виде многоугольника с четным количеством скругленных углов, контур которого повторяет выполненное в центре многоугольника сквозное отверстие, при этом центры радиусов скругления углов многоугольника и сквозного отверстия и радиуса установки центра тензорезистора расположены на одной линии, проходящей через центр сквозного отверстия, а радиусы скругления углов многоугольника, сквозного отверстия и установки центра тензорезисторов выбраны с учетом чувствительности тензорезисторов. 2. Грузоприемное устройство весов по п.1, отличающееся тем, что углубления выполнены в виде квадрата, две стороны которого параллельны продольной оси рельса. 3. Грузоприемное устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что радиусы установки центра тензорезисторов, расположенных в диагоналях сжатия, на 10 - 30% больше, чем радиусы установки центров тензорезисторов, расположенных в диагоналях растяжения.