МНОГОТОЧЕЧНЫЙ ЧАСТОТНЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МАССЫ И ДЕФОРМАЦИЙ Российский патент 2016 года по МПК G01G3/147 

Изобретение относится к области электронной весоизмерительной техники и может быть использовано в различных отраслях промышленности и транспорта для быстрого и высокоточного определения массы транспортного средства с сыпучими и наливными грузами при погрузке или выгрузке, перемещении грузов различного рода подъемными механизмами и одновременном их взвешивании, например, крановыми, монорельсовыми и другими весами, измерения сил и давлений, а также для исследования физических свойств материалов, деформаций и напряжений в деталях и конструкциях.

Известен способ измерения веса и деформаций с использованием от одного до четырех тензорезисторов в измерительных цепях в виде мостов уравновешивания или квазиуравновешивания (Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин. - Л.: Энергоатомиздат. 1983. - С. 102-107).

Недостатками подобного способа измерения являются малый уровень амплитудного выходного сигнала, составляющего не более 10-50 мВ, что усложняет дистанционные измерения, сложность схемы в случае одновременного измерения во многих точках протяженного объекта.

Известно устройство, реализующее способ многоопорного взвешивания (патент РФ №121570, G01L 25/00, опубл. 27.10.2012), в котором размещают многокомпонентные тензорезисторные датчики веса, каждый из которых содержит основной мост тензорезисторов для измерения силы и по два дополнительных моста тензорезисторов, измеряющих моменты сил, приложенных к их силовводящим и опорным узлам на эталонной силовоспроизводящей установке, и судят об измеряемом весе по сумме сигналов основных мостов тензорезисторов всех датчиков, контролируя при этом сигналы дополнительных мостов тензорезисторов. Измерение сигналов дополнительных мостов тензорезисторов позволяет контролировать правильность ориентации многокомпонентных датчиков веса на эталонной силовоспроизводящей машине.

Недостатками применения этого устройства и реализуемого им способа являются малая мощность выходного сигнала и влияние малозаметных дестабилизирующих факторов (просадки и наклона фундамента и платформы) на погрешность измерения.

Известен способ многоопорного взвешивания (патент РФ №2518097, G01G 1/00, опубл. 10.06.2014), состоящий в том, что на эталонной силовоспроизводящей установке нагружают многокомпонентные тензорезисторные датчики веса, каждый из которых содержит основной мост тензорезисторов, предназначенный для измерения веса, и дополнительные мосты тензорезисторов, предназначенные для измерения механических влияющих величин. При этом нагружении измеряют сигналы основных и дополнительных мостов тензорезисторов каждого датчика веса, определяют характеристики преобразования основных и дополнительных мостов тензорезисторов, для каждого многокомпонентного тензорезисторного датчика веса определяют функции влияния сигналов дополнительных мостов тензорезисторов на погрешность преобразования основного моста тензорезисторов, и предельно допускаемые значения сигналов дополнительных мостов тензорезисторов, при которых погрешность сигнала основного моста тензорезисторов данного многокомпонентного тензорезисторного датчика веса не выходит за допускаемые пределы. На месте эксплуатации судят об измеряемом весе по сумме сигналов основных мостов тензорезисторов всех многокомпонентных тензорезисторных датчиков веса при определенном заранее условии предельно допускаемого значения сигнала дополнительного моста тензорезисторов, при которых погрешность сигнала основного моста тензорезисторов данного многокомпонентного тензорезисторного датчика веса не выходит за допускаемые пределы.

Недостатком данного способа является использование большого количества дополнительных многокомпонентных тензорезисторных датчиков и мостов тензорезисторов, а также малая мощность выходного информативного сигнала.

Известен способ взвешивания на вагонных электронных весах для оценки безопасности движения вагонов с сыпучими грузами (патент РФ №230084, G01G 19/04, от 15.12.2005, опубл. 27.05.2007). Способ заключается во взвешивании движущегося вагона с учетом измерения масс брутто левой и правой сторон вагона. Путем суммирования определяют массу брутто вагона. Измерение разности масс загрузки боковых сторон вагона получают как сумму соответствующих разностей двух тележек вагона по левой и правой сторонам. Дополнительно определяют расчетным путем по предельному значению поперечного смещения центра массы груза "а" от продольной оси эти же массы брутто, распределенные по левой и правой сторонам двух тележек вагона. Затем вычисляют разность масс в загрузке боковых сторон вагона путем вычитания из массы брутто, распределенной по левой стороне двух тележек, массу брутто, распределенную по правой стороне двух тележек. Сравнивают полученную расчетным путем разность масс загрузки левой и правой сторон вагона с разностью масс, измеренной на весах.

Недостатком данного способа является использование большого количества мостов тензорезисторов, малая мощность выходного информативного сигнала и необходимость ручных вычислений.

Известен также способ использования цепочечных схем с полупроводниковыми тензорезисторами для повышения уровня амплитудного информативного сигнала (Рахманов В.Ф., Трухачев Б.С. Цепочечные схемы с тензорезисторами // Измерительная техника. - 1970. - №9. - С. 52-54; Драгунов В.П. Анализ характеристик многоэлементных тензопреобразователей // Электронное приборостроение. Новосибирск, НЭТИ. - 1992. - С. 131-139).

Недостатками этого способа являются ограниченная область использования цепных схем из тензорезисторов лишь в локальных зонах измерения, низкая помехоустойчивость амплитудного информативного сигнала и сложность усреднения результатов измерений.

Наиболее близким по технической сущности является способ преобразования разбаланса тензомоста в частоту импульсов с помощью интегратора на операционном усилителе и компаратора, зависящую от изменения сопротивлений тензорезистора, реализованный в преобразователе сигнала разбаланса тензомоста в выходную частоту f (А.С. СССР №828406, МКИ H03K 13/20, опубл. 07.05.81. Бюл. №17), которая определяется по формуле

где ε_R - относительное изменение сопротивлений тензомоста от воздействия измеряемого давления;

R_И - сопротивление интегратора, которое включает в себя выходное сопротивление тензометрического моста и сопротивление кабельной линии;

С_Д - емкость дозирующего конденсатора.

Недостатками способа, реализуемого устройством, содержащим тензорезисторный датчик давления и частотный преобразователь сигнала с выхода тензомоста датчика, являются низкая точность при изменении сопротивлений тензорезисторов с изменением температуры разогрева тензомоста и работа преобразователя только при разбалансе тензомоста в одну сторону, а при нулевом разбалансе выходная частота преобразователя равна нулю.

Задачей заявляемого изобретения является осуществление измерения массы и деформаций как на малых, так и значительных площадях и протяженных участках исследуемых объектов с использованием необходимого количества тензорезисторов, усреднение показаний без дополнительных вычислительных устройств, устранение влияния нестабильности напряжения питания измерительной схемы, просадки, наклона фундамента и платформы весов, а также смещения центра масс грузов на погрешность измерения, повышение помехоустойчивости информативного сигнала с возможностью его дистанционной передачи по двухпроводной линии связи.

Технический результат - усреднение частоты без дополнительных вычислительных устройств, устранение влияния нестабильности напряжения питания на выходную частоту и необходимости увеличения напряжения питания тензорезисторов для повышения уровня выходного сигнала, вызывающего дополнительные погрешности от их разогрева.

Поставленная задача решается способом измерения массы и деформаций путем измерения частоты генератора, зависящей от параметров тензорезисторов, которые согласно изобретению располагают в контрольных точках по площади или участку исследуемого объекта и соединяют с внешними конденсаторами фазирующей RC-цепочки, образующей совместно с усилителем генератор, соединенный через функциональный преобразователь частота-код с цифровым индикатором.

Сущность способа поясняется чертежами, где:

- на фиг. 1 представлен преобразователь цепной структуры;

- на фиг. 2 - принципиальная схема фазирующей цепочки;

- на фиг. 3 - принципиальная схема фазирующей цепочки с одним тензорезистором;

- на фиг. 4 - схема измерения с использованием тензорезисторов в качестве элементов фазирующей цепочки RC-генератора.

Способ реализуется использованием тензорезисторов, расположенных в контрольных точках по объекту и образующих вместе с внешними конденсаторами фазирующую RC-цепочку генератора гармонических колебаний, частота которого зависит от массы или деформации объекта.

Известные традиционные методы исследования не позволяют получать аналитические выражения, связывающие измеряемый параметр с частотой генерации, зависящей от одновременного индивидуального изменения параметров нескольких (более четырех) тензорезисторов, и тем самым решить актуальную проблему.

Использование метода функций преобразования (ФП) позволило эффективно решить эту сложную задачу (см. Гулин А.И. Диагностика измерительных преобразователей и устройств связи с неоднородной цепной структурой // Контроль. Диагностика. 2010. №11. С. 69-72).

ФП K_n преобразователя цепной структуры (Фиг. 1) (формально, обратная величина традиционного коэффициента передачи), являющаяся отношением входной активной величины U₀ к выходной B_n (напряжение U_n или ток I_n), описывается выражением при четном числе плеч n

где i=2b-1;

b=1, 2, 3, …, 0,5n,

а для цепных структур (ЦС) с нечетным числом плеч n

где b=1, 2, 3, …, 0,5(n+1) для ЦС с нечетным числом плеч n.

Соотношения (1) и (2) приводят к рекуррентной формуле для вычисления ФП

где T_i иммитанс i-го плеча (сопротивление Z для нечетных i и проводимость Y для четных i).

Начальными условиями алгоритма вычисления K_n являются значения K₀=1 при n=0 и K₁=T₁ при n=1.

Рекомендуемая электрическая схема RC-фазирующей цепочки (ФЦ), представлена на Фиг. 2. Следовательно, необходимое минимальное число тензорезисторов для создания ФЦ должно быть не менее двух. В статье (см. Гулин А.И. Проектирование многозвенных RC-генераторов // Изв. вузов «Приборостроение» 2012. Т. 15. №1 (41). С. 14-118) представлены всевозможные схемы ФЦ, которые могут быть использованы для построения различных схем измерительных генераторов При больших площадях и протяженных участках контролируемого объекта число тензорезисторов увеличивают до необходимого количества (нескольких сот), располагая их в необходимых точках контроля. Рассмотрим в качестве примера шестиплечую ФЦ из трех конденсаторов и трех тензорезисторов.

Выражение ФП шестиплечей ФЦ согласно (1) будет

Для ФЦ (Фиг. 2), когда Z₁=Z₃=Z₅=1/jωС, a Y₂=Y₄=Y₆=1/R ФП будет равна

В составляющих действительной и мнимой части ФП имеет вид

K₆=ReK₆+ImK₆,

Условием возникновения колебаний при использовании ФЦ является

где K_АП - ФП активного преобразователя (усилителя);

K_ФЦ - ФП фазирующей цепочки.

Т.к. ФП усилителя является вещественной, то для выполнения условия (6) необходимо, чтобы ФП ЦС K_ФЦ на частоте самовозбуждения была тоже вещественной. При этом обе ФП могут иметь одновременно либо положительные, либо отрицательные значения, т.е. ФЦ в зависимости от вида активного преобразователя должна осуществлять сдвиг фазы на четное или нечетное число πi радиан, где i=1, 2, 3 … - натуральный ряд чисел.

Рассмотрим вопрос определения частоты квазирезонанса шестиплечей ФЦ (Фиг. 2), составленной из тензорезисторов с сопротивлением P и конденсаторов емкостью C, осуществляющей поворот фазы на 180°, которая наиболее часто используется при построении генераторов на однокаскадных усилителях. Частота квазирезонанса определяется из мнимой части ФП фазирующего четырехполюсника (ФЦ) при обращении ее в ноль, т.е.

Приравняв к нулю мнимую часть ФП (условие квазирезонанса) выражения (5), получим формулу для искомой частоты ω₀ шестиплечей ФЦ

откуда

Определим действительную часть ФП ReK₆ ФЦ на частоте квазирезонанса ω₀ из выражения (5)

а, подставив значение частоты квазирезонанса из (8), определим

ReK₆=-29.

ФЦ ослабляет уровень сигнала в 29 раз, а знак минус подтверждает поворот фазы на 180°. Следовательно, K_АП - ФП активного преобразователя (коэффициент усиления) должна превышать более чем в 29 раз.

Необходимо отметить, что ФП K_n ФЦ на частотах квазирезонанса с увеличением числа плеч n от шести до бесконечности уменьшается и стремится от K₆=-29 до Kn=-11,6, т.е.

Расчеты по вычислению частот квазирезонансов для произвольного количества тензорезисторов n/2 сводятся, как оказалось, к определению коэффициента k_n выражения

В результате аналитического анализа впервые получена формула, определяющая коэффициент k_n для ФЦ при любом количестве тензорезисторов из уравнений вида

где p=0,25n-1 - для четных 0,5n;

p=0,25(n+2)-1 - для нечетных 0,5n.

Например, для десятиплечей (пятизвенной) ФЦ уравнение (9) имеет вид 15k-28k³+k⁵=0, решение которого дает следующие значения k:

k_1,2=±23/32; k_3,4=±167/32; k₅=0.

Из всех вещественных положительных корней уравнения (9) необходимо использовать наименьшее значение k=23/32, так как использование других значений, удовлетворяющих (9), приведет к сдвигу фаз на 2π радиан и более.

Когда необходимо использовать один или два тензорезистора, применяют пятиплечую ФЦ (Фиг. 3). Частота квазирезонанса подобной ФЦ, состоящих из нечетного числа плеч определяются выражением

где коэффициент h_n также зависит от числа плеч ФЦ и определяется из уравнения

где - число сочетаний из 0,5(n+1)+2i элементов по 1+4i элемента;

m=0,25(n+1)-1 - для четных 0,5(n+1);

m=0,25(n-1) - для нечетных 0,5(n+1).

Для пятиплечей ФЦ коэффициент $$h_5=\sqrt{3}$$ , а частота квазирезонанса ω₀ будет равна

При необходимости использования лишь одного тензорезистора в ФЦ заменяют один из тензорезисторов P на активное сопротивление R (Фиг. 3). Тогда частота квазирезонанса описывается выражением

Для расчета более сложных ФЦ можно воспользоваться программой (см., Гулин А.И., Сухинец Ж.А. и др. Расчет частоты квазирезонанса и коэффициента передачи многозвенных RC-структур // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2003611147 / 16.05.2003. Роспатент. Москва. 2003).

Многоточечный частотный способ измерения массы и деформаций с быстродействующим усреднением показаний (Фиг. 4) на протяженном объекте или объекте большой площади содержит тензорезисторы 1, составляющие с внешними конденсаторами элементы фазирующей цепочки 2 для образования совместно с усилителем 3 генератор 4, соединенный через функциональный преобразователь частота-код 5 с цифровым индикатором 6.

Измерение массы или деформаций на объекте осуществляется следующим образом. Однотипные тензорезисторы (тензодатчики) 1 размещают в контролируемых точках объекта, соединяют с внешними конденсаторами для образования фазирующей цепочки 2, составляющей совместно с усилителем 3 генератор 4, который соединяют через функциональный преобразователь частота-код 5 с цифровым индикатором 6. При изменениях массы и деформаций контролируемого объекта меняются значения сопротивлений тензорезисторов, образующих фазирующую цепочку 2 генератора 4. В соответствии с величинами этих сопротивлений устанавливается частота генератора 4, которая преобразуется функциональным преобразователем частота-код 5 и индицируется на цифровом индикаторе 6 в соответствующих единицах измерения.

Итак, заявляемое изобретение позволяет частотным способом непрерывно измерять массу и деформацию объекта с использованием двухпроводной линии связи и однотипных стандартных тензорезисторов (тензодатчиков) с усреднением показаний без дополнительных вычислительных операций, что обеспечивает высокую надежность и помехоустойчивость способа.

Кроме того, такой способ устраняет влияние нестабильности напряжения питания измерительной схемы, просадки, наклона фундамента и платформы весов, а также смещения центра масс грузов на погрешность измерения, т.к. при наклоне платформы, участков рельсового пути или смещении центра масс груза увеличение сопротивлений одних тензорезисторов будет соответствовать уменьшению сопротивлений - других, при этом выходная частота генератора, а следовательно, результат измерения не изменятся.

Изобретение относится к области электронной весоизмерительной техники и может быть использовано в различных отраслях промышленности и транспорта для быстрого и высокоточного определения массы транспортного средства с сыпучими и наливными грузами при погрузке или выгрузке, перемещении грузов различного рода подъемными механизмами и одновременном их взвешивании, например, крановыми, монорельсовыми и другими весами, измерения сил и давлений, а также для исследования физических свойств материалов, деформаций и напряжений в деталях и конструкциях. Способ измерения массы и деформаций заключается в измерении параметров тензорезисторов, которые располагают в контрольных точках по площади или участку исследуемого объекта. При этом измеряют частоту генератора, образованного тензорезисторами, соединенными с внешними конденсаторами фазирующей RC-цепочки и усилителем. Усредненный сигнал генератора подают через функциональный преобразователь частота-код на цифровой индикатор. Частота генератора зависит от параметров тензорезисторов. Заявляемое изобретение позволяет частотным способом непрерывно измерять массу и деформацию объекта с использованием двухпроводной линии связи и однотипных стандартных тензорезисторов (тензодатчиков) с усреднением показаний без дополнительных вычислительных операций, что обеспечивает высокую надежность и помехоустойчивость способа. Кроме того, такой способ устраняет влияние нестабильности напряжения питания измерительной схемы, просадки, наклона фундамента и платформы весов, а также смещения центра масс грузов на погрешность измерения, т.к. при наклоне платформы, участков рельсового пути или смещении центра масс груза увеличение сопротивлений одних тензорезисторов будет соответствовать уменьшению сопротивлений других, при этом выходная частота генератора, а следовательно, результат измерения не изменятся. 4 ил.

Способ измерения массы и деформаций путем измерения частоты генератора, зависящей от параметра тензорезистора, отличающийся тем, что тензорезисторы располагают в контрольных точках по площади или участку исследуемого объекта и соединяют с внешними конденсаторами фазирующей RC-цепочки, образующей совместно с усилителем генератор, усредненный сигнал которого подают через функциональный преобразователь частота-код на цифровой индикатор.