ДАТЧИК СИЛЫ Российский патент 2006 года по МПК G01L1/22 

Изобретение относится к силоизмерительной технике и может быть использовано в различных отраслях промышленности, где необходимо измерение усилий сжатия и растяжения, например для измерения усилий при контроле технологических процессов.

Известен датчик силы, содержащий балку с жестким центром, тензорезистор и силовоспринимающие элементы. Тензорезистор смонтирован на балке, выполненной в виде пластины, поперек действующего усилия.

Пластина закреплена между двумя силовоспринимающими элементами, имеющими центральные бобышки, передающие усилие на чувствительный элемент. Силовоспринимающие элементы имеют фланцы, соединенные с краем пластины, и стенки, расположенные между передающими нагрузку бобышками и фланцами. Пластина и силовоспринимающие элементы помещены в корпусе на скользящей посадке и приварены к нему. К одной стороне корпуса крепится крышка, которая воспринимает реакцию прибора на приложенную нагрузку [1].

Данный датчик позволяет измерять усилия растяжения и сжатия. Однако конструкция датчика и крепление чувствительной пластины вызывают дополнительные напряжения от усилий закрепления в зоне установки тензорезисторов, что увеличивает неинформативную часть измерительного сигнала. Таким образом, увеличивается погрешность измерения датчика (ухудшаются метрологические характеристики прибора, в том числе и линейность выходного сигнала).

Расчеты показали, что описанный датчик с номинальным измеряемым усилием, например, 10 тс весит 22-25 кг, тогда как предлагаемый датчик с тем же номинальным измеряемым усилием весит 7-9 кг.

Известен датчик силы, содержащий балки с тензорезисторами. Две балки выполнены в виде кольца, вытянутого в продольном направлении для увеличения плеча силы, изгибающей перемычки, что повышает чувствительность прибора [2].

Этот датчик позволяет измерять только усилия растяжения, он достаточно технологичен и имеет небольшой вес.

Однако неопределенность в плече силы увеличивает погрешность датчика. Точка перегиба балки кольца может перемещаться под действием деформации, что приводит к изменению плеча силы и, следовательно, к нелинейности характеристики преобразования.

Известен датчик силы, содержащий балки, работающие на сдвиг, радиально расположенные и равномерно распределенные по окружности, соединенные жестким центром, и тензорезисторы. Внешние концы балок опираются на корпус [3].

Этот датчик предназначен только для измерения усилий сжатия, его невозможно использовать для измерения усилий растяжения. Недостатком известного датчика является высокая трудоемкость изготовления балок, установки и замены тензорезисторов на внутренних поверхностях балок, а также значительная погрешность измерений.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является силоизмерительный датчик, содержащий группу из трех балок, работающих на сдвиг, радиально расположенных и равномерно распределенных по окружности, соединенных жестким центром, тензорезисторы, размещенные на балках, и силовоспринимающие элементы. Внешние концы балок выполнены свободными и снабжены силовоспринимающими элементами [4].

Этот датчик имеет более простую конструкцию и менее трудоемок в изготовлении, чем вышеописанные. Однако он также предназначен только для измерения усилий сжатия и имеет значительную погрешность измерений. Для уменьшения погрешности измерений в нем необходимо обеспечивать высокое качество опорных перемещающихся поверхностей (поверхности датчика и поверхности, на которой установлен датчик) для более легкого перемещения их относительно друг друга.

Решаемая данным изобретением задача - создание устройства, измеряющего усилия растяжения и сжатия и имеющего малую погрешность измерений.

Технический результат заключается в том, что при номинальном усилии в зоне установки тензорезисторов обеспечили сдвиговые деформации, необходимые для оптимальной работы тензорезисторов путем образования паза между группами балок.

За счет этого получена возможность измерять усилия как растяжения, так и сжатия.

Кроме того, при измерении усилий сжатия исключено влияние качества опорных перемещающихся поверхностей на выходной сигнал. Это гарантирует уменьшение погрешности измерений.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что датчик силы, содержащий группу из трех балок, работающих на сдвиг, радиально расположенных и равномерно распределенных по окружности, соединенных жестким центром, тензорезисторы, размещенные на балках, и силовоспринимающие элементы, согласно изобретению снабжен идентичной группой балок, внешние концы балок каждой группы попарно жестко соединены между собой поверхностями, обращенными друг к другу, образуя между жесткими центрами и парными балками сквозной паз, причем в жестких центрах групп балок выполнены осевые отверстия для силовоспринимающих элементов.

Отличительными признаками предлагаемого устройства от указанного выше известного (прототипа) являются: "наличие идентичной группы балок и сквозной паз, образованный между жесткими центрами и парными балками", а также выполнение опорных перемещающихся поверхностей условными и находящимися в теле датчика.

Благодаря наличию этих признаков совместно с признаками, общими с прототипом, становится возможным измерять усилия как растяжения, так и сжатия, т.к. выполнение сквозного паза позволяет распределить напряжение в материале датчика таким образом, что в зоне установки тензорезисторов при номинальном усилии достигается деформация, оптимальная для работы тензорезисторов в режиме измерения усилий растяжения и сжатия.

А выполнение опорных перемещающихся поверхностей условными гарантирует снижение погрешности измерений.

При проведении анализа уровня техники, включающего поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлены технические решения, содержащие признаки, сходные с отличительными признаками заявляемого изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

На чертеже изображен тензорезисторный датчик силы в изометрии.

Тензорезисторный датчик силы содержит две группы балок 1, 2. Каждая группа состоит из трех балок 3, которые радиально расположены и равномерно распределены по окружности. В каждой группе 1 и 2 балки 3 соединены жесткими центрами 4, 5 соответственно, а внешние концы балок каждой группы попарно жестко соединены между собой поверхностями, обращенными друг к другу. Между жесткими центрами 4, 5 и парными балками образован сложный сквозной паз 6. В жестких центрах 4, 5 выполнены осевые отверстия 7 (например, резьбовые) для установки силовоспринимающих элементов и закрепления их на устройствах, передающих измеряемое усилие (например, на силовом стенде).

На боковых поверхностях изгибных участков балок 3 выполнены выемки 8, на внутренних стенках которых размещены тензорезисторы 9, воспринимающие сдвиговые деформации от силовоспринимающих элементов.

Устройство работает следующим образом.

Тензорезисторный датчик силы устанавливают между элементами, передающими усилие сжатия или растяжения. Если измеряется усилие сжатия, то элементами могут являться опоры, одна из которых сферическая, другая - плоская. Предположим, что измеряется усилие растяжения. В отверстия 7 устанавливают силовоспринимающие элементы, например рым-болты, которые в свою очередь крепят к устройству, которое воспроизводит усилие (например, к разрывной машине). К рым-болтам прикладывается растягивающее усилие Р_раст., под действием которого расстояние между жесткими центрами 4 и 5 увеличивается благодаря пазу 6, а концы балок каждой группы остаются на прежнем месте. При этом в месте жесткого соединения балки 3 изгибаются и на внутренних поверхностях выемок 8 возникают сдвиговые деформации, которые преобразуются тензорезисторами 9.

На предприятии были проведены испытания датчика силы. Результаты испытаний показали, что датчик имеет категорию точности 0,1 по ГОСТ 28836-90.

Путем введения идентичной группы балок и образования между ними сквозного паза появилась возможность создать устройство, измеряющее усилия растяжения и сжатия, а также снизить погрешность измерений за счет выполнения опорных перемещающихся поверхностей условными и находящимися в теле датчика.

Преимущество изобретения состоит в том, что возможность измерения усилий растяжения и сжатия значительно расширяет область применения датчика как силоизмерительного прибора в различных отраслях промышленности. При этом затраты на изготовление датчика существенно меньше, чем у аналогичных устройств, т.к. к опорным перемещающимся поверхностям не предъявляется высоких требований.

Таким образом, представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:

- средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в различных отраслях промышленности для измерения усилий растяжения и сжатия;

- для заявляемого устройства в том виде, в котором оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Источники информации

1. Патент США №3272006, кл. 73-141, 1963 г.

2. Патент США №3315202, кл. 338-5, 1964 г.

3. Патент США №3037178, кл. 338-5, 1966 г.

4. Патент РФ №2073219, кл. G 01 L 1/22, G 01 В 5/30, 1992 г.

Использование: изобретение относится к силоизмерительной технике и может быть использовано в различных отраслях промышленности, где необходимо измерение усилий сжатия и растяжения, например для измерения усилий при контроле технологических процессов. Технический результат: при номинальном усилии в зоне установки тензорезисторов обеспечение сдвиговых деформаций, необходимых для оптимальной работы тензорезисторов, путем образования паза между группами балок. Сущность изобретения: датчик силы содержит группу из трех балок, работающих на сдвиг, радиально расположенных и равномерно распределенных по окружности, соединенных жестким центром, тензорезисторы, размещенные на балках, и силовоспринимающие элементы. Дополнительно он снабжен идентичной группой балок, внешние концы балок каждой группы попарно жестко соединены между собой поверхностями, обращенными друг к другу, образуя между жесткими центрами и парными балками сквозной паз, причем в жестких центрах групп балок выполнены осевые отверстия для силовоспринимающих элементов. 1 ил.

Датчик силы, содержащий группу из трех балок, работающих на сдвиг, радиально расположенных и равномерно распределенных по окружности, соединенных жестким центром, тензорезисторы, размещенные на балках, и силовоспринимающие элементы, отличающийся тем, что он снабжен идентичной группой балок, внешние концы балок каждой группы попарно жестко соединены между собой поверхностями, обращенными друг к другу, образуя между жесткими центрами и парными балками сквозной паз, причем в жестких центрах групп балок выполнены осевые отверстия для силовоспринимающих элементов.