СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАССЫ ДВИЖУЩЕГОСЯ ОБЪЕКТА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2023 года по МПК G01G19/02 

Изобретение относится к области измерительной техники, связанной с измерением массы грузов в движении. Изобретение предназначено для определения массы движущихся грузов с помощью динамометров с высокой точностью.

Изобретение может применяться в различных отраслях промышленности, торговли, сельского хозяйства: измерение массы грузов, перевозимых автомобилями и поездами; измерение массы тел на движущихся транспортеpax и фасовочных линиях (взвешивание и отбраковка продукции); измерение массы и центра тяжести самолета на аэродроме; определение нагрузок при испытаниях изделий на удар о препятствие; определение нагрузок, действующих на автомобильные шины на испытательных стендах.

Известны устройства для определения массы движущихся объектов. К ним относятся врезные автомобильные весы, содержащие размещенный в дорожном покрытии фундамент с весовой ямой, датчики веса (тензометрические динамометры, динамометры), размещенные в весовой яме, весоприемную платформу, опирающуюся на датчики веса (Патент RU 164544 U1 от 10.09.2016, Заявка 2015152871/28 от 10.12.2015). Известны устройства для измерения компонентов силы и момента, которые в общем случае называются динамометрами. К ним относятся датчики силы, датчики момента и тензометрические весы. Динамометр (см. В.В. Богданов, B.C. Волобуев. Многокомпонентные тензометрические весы. «Датчики и системы», 2004, №3, стр. 3), состоит из элемента соединения с основанием, элемента приложения силы (метрическая часть), чувствительных элементов и тензорезисторов, преобразующих деформации чувствительных элементов в электрические сигналы.

Известен способ взвешивания и определения характеристик движущегося транспортного средства (Патент "A system and method for accurately weighting and characterizing moving vehicles" WO 98/40705 от 17.09.98), в котором в процессе движения объекта измеряют силу давления шины на датчик силы в зависимости от времени. Суммарный вес объекта определяют в виде интеграла от сигнала датчика по времени методом Симпсона. Недостатком этого способа является то, что для определения веса требуется определенный интервал времени.

Прототипом изобретения является способ "Dynamic weighing method of determining a load measurement value and the resolution thereof ("Метод динамического взвешивания для определения величины измеряемой нагрузки и его разрешения", патент США №5,585,604, международный номер заявки на изобретение PCT/SE 92/00324 от 18.05.1992 и соответствующий номер международной публикации WO 092/21009 от 26.11.1992). Взвешиваемый объект перемещают по платформе, установленной на динамометрах. Динамометры генерируют сигнал, зависящий от нагрузки, который возрастает от первоначального значения до максимального и уменьшается до первоначального значения при въезде объекта на платформу, расположении объекта целиком на платформе и съезду объекта с платформы. Предварительно, приблизительное значение пика определяют в качестве искомого веса. Сигнал интегрируют на интервале времени, в котором расположен определенный ранее пик. Далее вычисляют форм-фактор сигнала как функцию отношения полученного интеграла от сигнала к произведению величины пика на интервал времени.

Недостатками рассмотренного в прототипе способа являются:

1. Точность способа уменьшается при увеличении скорости движущегося объекта (уменьшается время измерения).

2. Способ становится неработоспособным, когда при увеличении скорости движущегося объекта возникают собственные колебания платформы вместе с движущимся по ней объектом.

Повышение скорости грузов при взвешивании в поточном производстве приводит к уменьшению цикла производства и, следовательно, к потенциальному увеличению производительности линии и к повышению эффективности всех схем грузопотоков. Измерения массы осуществляются однокомпонентными тензометрическими динамометрами. При увеличении скорости движения грузов понижается точность измерений вследствие возрастающей динамики измерительной системы на ее собственной частоте. Это связано с упругостью чувствительного элемента динамометра, который сам по себе является динамической системой. Этим обусловлена сложность решаемой проблемы: измерение массы движущегося объекта осуществляется динамической системой.

Техническим результатом изобретения является повышение точности определения массы движущегося объекта, возможность измерять вышеупомянутую массу в любой момент времени.

Технический результат достигается тем, что в способе определения массы движущегося объекта, в котором взвешиваемый объект перемещают по платформе, установленной на динамометре, и измеряют сигнал, генерируемый динамометром, для определения искомой массы используют формулу:

,

где М - искомая масса движущегося объекта;

m - масса метрической части динамометра и платформы;

k - коэффициент жесткости динамометра;

F - показания динамометра;

и - первая и вторая производные по времени показаний динамометра;

Р - коэффициент демпфирования динамометра;

g - ускорение свободного падения в месте измерения.

Перечень фигур, иллюстрирующих предложенный способ:

На фиг. 1 показана схема движения взвешиваемого объекта по платформе.

На фиг. 2 показана зависимость сигнала динамометра от времени при наезде взвешиваемого объекта на платформу, движении по платформе и съезде с платформы.

На фиг. 3 показана зависимость амплитуды сигнала динамометра от частоты колебаний. Частота, соответствующая максимуму функции, есть собственная частота колебаний динамометра с платформой.

На фиг. 4 показана зависимость натурального логарифма отношения амплитуды колебаний к первоначальной амплитуде в зависимости от времени. Коэффициент наклона аппроксимирующей линейной функции есть искомый коэффициент демпфирования, взятый с обратным знаком.

На фиг. 5 показана зависимость относительной амплитуды сигнала динамометра от частоты установившихся гармонических колебаний платформы. Частота, соответствующая максимуму функции, есть собственная частота колебаний динамометра с платформой.

На фиг. 6 показана разность фаз колебаний платформы и элемента крепления динамометра к основанию в зависимости от частоты установившихся гармонических колебаний платформы.

На фиг. 7 показана зависимость сигнала динамометра от времени при наезде взвешиваемого объекта на платформу, движении по платформе и съезде с платформы (кривая (1)). Кривая (2) соответствует обработке сигнала динамометра по формуле

На фигурах приняты следующие обозначения и условно показаны:

1 - движущийся объект;

2 - платформа;

3 - динамометр.

Способ определения массы движущегося объекта базируется на показаниях динамометра, взвешивающего платформу с движущимся грузом. Массу метрической части динамометра и платформы m определяют при изменении угла оси чувствительности (направления измерения) динамометра по отношению к горизонтальной плоскости (угол тангажа). Коэффициенты жесткости к и демпфирования Р динамометра, необходимые для определения движущейся массы, определяют или по результатам частотных испытаний динамометра с платформой на вибростенде, или по результатам свободных колебаний динамометра с платформой.

Способ, на котором основана предлагаемая заявка, реализуется следующим образом:

1. К платформе 2, прикрепленной к динамометру (к элементу приложения сил 3 прикладывают вес объекта 1, движущегося по платформе, Mg, где М - искомая масса движущегося объекта; g - ускорение свободного падения в месте измерения.

2. Массу платформы совместно с элементом приложения силы динамометра m определяют по показаниям динамометра при изменении его угла тангажа в по формуле: где F - показания динамометра. Более подробно этот метод изложен в статье: А.Р. Горбушин. Метод учета влияния веса модели и веса динамометра на показания тензометрических весов. Ученые записки ЦАГИ, т. XL, №4, 2009, с. 63-70.

3. Коэффициенты демпфирования β и жесткости k динамометра определяют двумя способами.

а) Первый способ основан на вынужденных гармонических колебаниях. Динамометр совместно с платформой монтируют на вибростенд элементом соединения динамометра с основанием. На элемент соединения динамометра с основанием устанавливают устройство измерения ускорения, например, акселерометр. Вибростенд задает установившиеся гармонические колебания элемента соединения динамометра с основанием при различных значениях частоты. Коэффициенты β и k определяют по показаниям динамометра и акселерометра с использованием следующих уравнений:

где Δϕ - разность фаз колебаний элемента приложения силы динамометра относительно элемента соединения динамометра с основанием; F⁰ - амплитуда колебаний сигнала динамометра; ω - круговая частота колебаний элемента соединения динамометра с основанием, задаваемая вибростендом; ω₀ - собственная круговая частота колебаний динамометра с прикрепленной к нему платформой при отсутствии демпфирования (резонансная частота); - амплитуда ускорения элемента соединения динамометра с основанием, измеренная акселерометром.

b) Второй способ основан на свободных затухающих колебаниях. Элемент соединения динамометра с основанием прикрепляют к неподвижному основанию. К платформе или элементу приложения силы прикладывают ступенчатую или импульсную силу в направлении измерения динамометра, которая вызывает свободные затухающие колебания платформы. Коэффициент демпфирования β определяют по затуханию амплитуды показаний динамометра а коэффициент жесткости k - из выражения где F_a - амплитуда показаний динамометра; F₀ - начальная амплитуда показаний динамометра; Т - период колебаний; n - целое число; - частота свободных колебаний платформы.

4. Взвешиваемый объект перемещают по платформе, установленной на динамометре, и измеряют сигнал динамометра. Искомую массы взвешиваемого объекта определяют по формуле:

,

где М- искомая масса движущегося объекта;

m - масса метрической части динамометра и платформы;

k - коэффициент жесткости динамометра;

F - показания динамометра;

и - первая и вторая производные по времени показаний динамометра;

β - коэффициент демпфирования динамометра;

g - ускорение свободного падения в месте измерения.

Достоинства предлагаемого способа определения массы движущегося объекта состоят в следующем:

1. Способ обеспечивает измерение при больших скоростях движения объекта по платформе, когда возбуждаются собственные частоты динамометра.

2. Способ обеспечивают более высокую точность при малом времени измерения.

3. Разработанный способ позволяет измерять массу движущегося груза с помощью динамометров во всем их рабочем диапазоне частот, включая собственную.

4. Искомая масса объекта может быть определена в любой произвольный момент времени; требуются лишь результаты измерений в окрестности заданного момента времени для вычисления первой и второй производных по времени от нагрузки, измеренной динамометром.

Получено подтверждение результатами экспериментальных исследований.

Изобретение относится к области измерительной техники, связанной с измерением массы грузов в движении. Способ базируется на показаниях динамометра, взвешивающего платформу с движущимся грузом. Массу метрической части динамометра и платформы определяют при изменении угла оси чувствительности (направления измерения) динамометра по отношению к горизонтальной плоскости (угол тангажа). Коэффициенты жесткости и демпфирования динамометра, необходимые для определения движущейся массы, определяют или по результатам частотных испытаний динамометра с платформой на вибростенде, или по результатам свободных колебаний динамометра с платформой. Технический результат заключается в повышении точности определения массы движущегося объекта, возможность измерять вышеупомянутую массу в любой момент времени. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ определения массы движущегося объекта, в котором взвешиваемый объект перемещают по платформе, установленной на динамометре, и измеряют сигнал, генерируемый динамометром, отличающийся тем, что определяют массу метрической части динамометра и платформы m по показаниям динамометра при изменении его угла тангажа θ, динамометр совместно с платформой монтируют на вибростенд элементом соединения динамометра с основанием, на элемент соединения динамометра с основанием устанавливают устройство измерения ускорения, с помощью вибростенда задают установившиеся гармонические колебания элемента соединения динамометра с основанием при различных значениях частоты, коэффициенты демпфирования динамометра β и жесткости k определяют по показаниям динамометра и устройства измерения ускорения с использованием следующих уравнений: где F⁰ - амплитуда колебаний сигнала динамометра; ω - круговая частота колебаний элемента соединения динамометра с основанием, задаваемая вибростендом; ω₀ - резонансная частота; - амплитуда ускорения элемента соединения динамометра с основанием, измеренная устройством измерения ускорения, далее полученные таким образом коэффициенты демпфирования β и жесткости k динамометра используют для определения искомой массы движущегося объекта по формуле:

,

где М - искомая масса движущегося объекта;

m - масса метрической части динамометра и платформы;

k - коэффициент жесткости динамометра;

F - показания динамометра;

и - первая и вторая производные по времени показаний динамометра;

β - коэффициент демпфирования динамометра;

g - ускорение свободного падения в месте измерения.

2. Способ определения массы движущегося объекта по п. 1, отличающийся тем, что в качестве устройства измерения ускорения используют акселерометр.

3. Способ определения массы движущегося объекта, в котором взвешиваемый объект перемещают по платформе, установленной на динамометре, и измеряют сигнал, генерируемый динамометром, отличающийся тем, что определяют массу метрической части динамометра и платформы m по показаниям динамометра при изменении его угла тангажа θ, элемент соединения динамометра с основанием прикрепляют к неподвижному основанию, к платформе или метрической части динамометра прикладывают ступенчатую или импульсную силу в направлении измерения динамометра, которая вызывает свободные затухающие колебания платформы, коэффициент демпфирования β определяют по затуханию амплитуды показаний динамометра а коэффициент жесткости k - из выражения где F_a - амплитуда показаний динамометра; F₀ - начальная амплитуда показаний динамометра; Т - период колебаний; n - целое число; ƒ - частота свободных колебаний платформы, далее полученные таким образом коэффициенты демпфирования β и жесткости k динамометра используют для определения искомой массы движущегося объекта по формуле:

,

где М - искомая масса движущегося объекта;

m - масса метрической части динамометра и платформы;

k - коэффициент жесткости динамометра;

F - показания динамометра;

и - первая и вторая производные по времени показаний динамометра;

β - коэффициент демпфирования динамометра;

g - ускорение свободного падения в месте измерения.