Датчик веса со струнным типом чувствительного элемента Российский патент 2023 года по МПК G01G3/12 G01L1/10 

Изобретение относится к устройствам для измерения веса и может быть использовано в тяжелой и легкой промышленности, машиностроении, ракетостроении, сельском хозяйстве, при добыче полезных ископаемых (нефти, газа, угля и т.д.), а также в любой другой отрасли промышленности, где требуется измерение большого веса с высокой точностью.

Известен датчик силы [RU162006U1] содержащий корпус, в котором размещена струна, связанная одним концом с жестким центром закрепленной по контуру в корпусе мембраны, а другим концом соединенная с подвижным элементом, снабженным стопором и позволяющим изменять силу натяжения струны, электромагнитный датчик силы, создающий колебания состоит из магнитопровода с обмоткой, расположенный около средней части струны, и переходника, который соединяет жесткий центр мембраны с объектом измерения, кроме того, датчик силы содержит конденсатор, включенный последовательно с обмоткой электромагнитный датчик силы, и ограничителем, при этом жесткий центр выполнен в виде закрепленной на мембране втулки с центральным отверстием квадратного сечения, помещенного в это отверстие подвижного зажима струны с винтом, соединяющим втулку и подвижный зажим струны, подвижный элемент, снабженный стопором, выполнен в виде двуплечего поворотного рычага с неподвижным электромагнитным датчиком силы рычага в составе магнитопровода с обмоткой, первое плечо двуплечего поворотного рычага соединено с другим концом струны, а стопор и электромагнит рычага размещены по разные стороны второго плеча, ограничитель выполнен в виде скобы, одним отогнутым концом закреплен на подвижном зажиме струны, второй его отогнутый конец размещен в зоне первого плеча двуплечего поворотного рычага с возможностью взаимодействия с ним.

К недостаткам известного устройства следует отнести отсутствие температурных и амплитудных коррекций масштабного коэффициента датчика.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому является устройство струнного датчика силы [SU991194A1], который состоит из корпуса и одним концом жестко закрепленного в нем струны выполненной из магнитомягкого материала, а вторым концом на подвижном упругом элементе, усилитель, на выход которого подключен электромагнитный возбудитель, а на вход - электромагнитный датчик, образуя петлю положительной обратной связи.

К недостатку известного устройства относится то, что конструкция датчика позволяет проводить измерение силы (веса) только в одном из направлений - в направлении растяжения струны, а так же отсутствие температурных и амплитудных коррекций масштабного коэффициента датчика, что сужает точность измерений и область применения датчика.

Задачей изобретения является создание устройства для высокоточного измерения веса, порядка 100 тонн и выше, на основе струнного чувствительного элемента, а также компенсация температуры применение алгоритма обработки измерительной формации построенного на основе интерполяций Лагранжа.

Техническим результатом является повышение точности измерений при измерении большого веса, порядка 100 тонн и выше.

Поставленная задача достигается тем, что устройство, содержащее корпус, и плоскую мембрану, снабжено струнным чувствительным элементом, состоящий из струны натянутой между двумя опорами, закрепленными на плоской мембране, магнит, электромагнитные датчики, усилитель обратной связи, термодатчик; микроконтроллер и преобразователь для внешнего интерфейса. При этом в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) микроконтроллера содержится встроенное программно-математическое обеспечение (ПМО) с алгоритмами коррекции и компенсации ошибок измерения построенными на основе интерполяции Лагранжа.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена упрощенная конструкция чувствительного элемента и функциональная схема датчика.

На фиг. 1 приняты следующие обозначения: 1 - корпус; 2 - плоская мембрана; 3 - опора; 4 - струна; 5 и 5' - электромагнитные датчики; 6 - постоянный магнит; немагнитная опора; 7 - немагнитная опора; 8 - блок электроники; 9 - усилитель обратной связи; 10 - микроконтроллер; 11 - термодатчик; 12 - контроллер выходного интерфейса; 13 - интерфейс ввода/вывода; 14 - питание.

Устройство состоит из корпуса 1, на котором жестко закреплена плоская мембрана 2, на плоской мембране жестко закреплены опоры 3, между которыми натянута струна 4, вблизи струны расположен постоянный магнит 6, жестко закрепленный на немагнитной опоре 7, установленной в корпусе 1. Кроме того, вблизи струны расположены электромагнитные датчики 5 и 5' жестко закрепленные в корпусе 1, при этом, выход электромагнитного датчика 5' соединен с входом усилителя обратной связи 9, а вход электромагнитного датчика 5 соединен с выходом усилителя обратной связи 9. Выходное напряжение усилителя обратной связи поступает на вход внешних прерываний микроконтроллера (МК) 10, к цифровому выходу микроконтроллера подключен контроллер выходного интерфейса (КВИ) 12, выходом КВИ является интерфейс ввода/вывода 13, питание 14 поступает на входы УОС, МК и КВИ.

Работа устройства осуществляется следующим образом. После подачи питания на вход 14, КВИ, МК и УОС начинают работать. Струна 4, постоянный магнит 6, электромагнитные датчики 5 и 5', а также УОС 9 образуют петлю положительной обратной связи, возбуждая поддерживаемые автоколебания струны, при этом на выходе УОС 9 формируются прямоугольные импульсы, частота которых равна частоте колебаний струны, эти импульсы поступают на вход внешних прерываний МК 10, согласно алгоритму ПМО загруженному в ПЗУ МК 10 происходит вычисление частоты колебаний и ее обработка с использованием итреполяции Лагранжа для повышения точности результатов измерения веса. Обработанное значение частоты, переведенное в единицу измерения веса, в цифровом формате поступает на вход КВИ 13 и далее потребителю. Через интерфейс ввода/вывода также проводится настройка параметров датчика, осуществляется его калибровка и режим работы, а также производится запись (логирование) данных.

Частота колебаний струны 4, пропорциональна величине прогиба плоской мембраны 2, которая в свою очередь зависит от величины входного воздействия F - силы действующей на плоскую мембрану 2, создаваемую объектом, вес которого измеряется. Таким образом, частота колебаний струны пропорциональна измеряемому весу.

Результат измерения веса зависит от температуры внешней среды, которая измеряется при помощи термодатчика 11, результат измерения температуры корпуса поступает на вход МК 10 и участвует в обработке результатов измерения веса, производя компенсацию температурной погрешности измерения.

Технико-экономическая эффективность практического использования заключается в том, что использование струнного типа чувствительного элемента повышает точность измерений. Так, например, при номинальном пределе измерений в 100 тонн, датчик со струнным типом чувствительного элемента будет иметь погрешность порядка 1 кг, в то время как современные датчики имеют погрешность измерения порядка 10 кг. Таким образом, заявленный датчик веса со струнным типом чувствительного элемента может заменить целый ряд аналогичных датчиков.

Изобретение относится к устройствам для измерения веса и может быть использовано в любой отрасли промышленности, где требуется измерение большого веса с высокой точностью. Устройство содержит корпус и плоскую мембрану, снабжено струнным чувствительным элементом, состоящим из струны, натянутой между двумя опорами, закрепленными на плоской мембране, магнит, электромагнитные датчики, усилитель обратной связи, термодатчик; микроконтроллер и преобразователь для внешнего интерфейса. При этом в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) микроконтроллера содержится встроенное программно-математическое обеспечение (ПМО) с алгоритмами коррекции и компенсации ошибок измерения, построенными на основе интерполяции Лагранжа. Технический результат заключается в повышении точности измерений при измерении большого веса, порядка 100 тонн и выше. 1 ил.

Датчик веса со струнным типом чувствительного элемента, содержащий корпус и плоскую мембрану, отличающийся тем, что он включает струнный чувствительный элемент, состоящий из струны, натянутой между двумя опорами, закрепленными на плоской мембране, магнит, электромагнитные датчики, усилитель обратной связи, термодатчик; микроконтроллер и преобразователь для внешнего интерфейса, при этом в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) микроконтроллера содержится встроенное программно-математическое обеспечение (ПМО) с алгоритмами коррекции и компенсации ошибок измерения, построенными на основе интерполяции Лагранжа.