ТЕНЗОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ДАТЧИК S-ОБРАЗНОГО ТИПА Российский патент 2024 года по МПК G01B7/16 G01L1/22 

Настоящее изобретение относится к измерительной технике, более конкретно - к тензоизмерительному датчику, а именно - к тензоизмерительному датчику S-образного типа (далее также по тексту описания упоминается как тензоизмерительный датчик или тензодатчик).

Тензоизмерительный датчик S-образного типа является измерительным прибором, главное назначение которого является определение значений усилий, прикладываемых к датчику.

Особенностью тензодатчика данного типа является то, что он содержит S-образный корпус, который позволяет установленным внутри корпуса тензорезисторам измерять нагрузку как на сжатие, так и на растяжение.

Суть процесса измерения, в котором участвует тензоизмерительный датчик S-образного типа, заключается в преобразовании величины деформации корпуса тензодатчика, вызванной измеряемой величиной, например - массой груза, в другую удобную для измерения величину, например - в выходной электрический сигнал.

Благодаря своим хорошим метрологическим характеристикам тензоизмерительные датчики S-образного типа получили широкое распространение в самых разных производственно-торговых сферах, широко применяются в конструкциях бункерных, разрывных и подвесных машин, весов кранового типа, дозаторов различного применения. На сегодняшний день это наиболее эффективное и полезное оборудование в составе измерительных весовых систем промышленного типа.

В сети Интернет, см. ссылку https://mashintertorg.ru/tenzodatchiki&filter=101, раскрыты различные тензоизмерительные датчики S-образного типа различных фирм-производителей.

Любой из этих датчиков содержит корпус из упругого материала, как правило, корпус тензодатчика изготавливается из алюминия или легированной стали или нержавеющей стали. Корпус тензоизмерительного датчика S-образного типа имеет переднюю поверхность, заднюю поверхность, верхнюю поверхность, нижнюю поверхность, первую и вторую боковые поверхности. Кроме этого, S-образный тензодатчик имеет выполненную в корпусе первую прорезь, смещенную от центра корпуса к его верхней поверхности, и выполненную в корпусе вторую прорезь, смещенную от центра корпуса к его нижней поверхности. В корпусе S-образного тензодатчика выполнены два соосных глухих отверстия равного диаметра, одно из которых проходит от передней поверхности корпуса к его задней поверхности, а второе отверстие проходит от задней поверхности корпуса к его передней поверхности. Между глухими отверстиями образована тонкая перегородка, поперечная продольным осям глухих отверстий. На перегородке закрепляются тензорезисторы, воспринимающие деформацию корпуса и преобразующие деформацию корпуса в выходной электрический сигнал тензодатчика. Как правило, тензорезисторы объединяют в так называемый мост Уитстона, что позволяет прецизионно отследить деформацию корпуса, изменение сопротивления тензорезисторов и преобразовать это изменение в выходной электрический сигнал (напряжение) тензодатчика. Кроме ранее упомянутых конструктивных элементов S-образный тензодатчик содержит средство для подачи электрического питания на тензорезисторы, закрепленное на корпусе и электрически соединенное с тензорезисторами, средство для передачи электрического сигнала от тензорезисторов на внешнее устройство для обработки выходного электрического сигнала тензодатчика, при этом указанное средство для передачи электрического сигнала от тензорезисторов на внешнее устройство для обработки выходного электрического сигнала тензодатчика закреплено на корпусе и напрямую электрически соединено с тензорезисторами. Кроме этого, в таком S-образном тензодатчике предусмотрено средство для герметизации отверстия, также закрепленное на корпусе.

Необходимо отметить, что во всех известных тензоизмерительных датчиках S-образного типа глухие отверстия проходят между передней и задней поверхностями корпуса и, как правило, суммарная длина этих глухих отверстий составляет не более 45% от расстояния между боковыми поверхностями корпуса, т.е. отверстия сами по себе короткие по сравнению с габаритным размером корпуса тензодатчика по его ширине, определяемом как расстояние между боковыми поверхностями корпуса тензодатчика.

Одним из важных этапов изготовления тензодатчика S-образного типа является герметизация его отверстий после установки тензорезисторов. Герметизация отверстий необходима, чтобы защитить тензорезисторы от воздействия на них влаги и пыли, а также исключить повреждение тензорезисторов, вызванное ударами и вибрациями, воздействующими на корпус тензодатчика в ходе его эксплуатации. От качества герметизации отверстия зависит надежность и долговечность работы тензодатчика.

Средство для герметизации отверстий, очень часто, представляет собой пробки из герметика, как правило, применяется силиконовый герметик. Пробки из герметика формируются в отверстиях в непосредственной близости от передней и задней поверхностей корпуса. Поверх пробок устанавливаются тонкостенные крышки-заглушки из нержавеющей стали. Крышки-заглушки устанавливаются непосредственно в отверстия по их внешним краям. Для окончательного прикрепления крышек-заглушек к корпусу тензодатчика применяется лазерная сварка.

В известных тензодатчиках S-образного типа крышки-заглушки, закрепляемые в глухих отверстиях корпуса, расположены очень близко к зоне установки тензорезисторов, в которой происходим максимальная деформация корпуса тензодатчика при приложении к тензодатчику нагрузки. Так как крышки-заглушки расположены очень близко к зоне с максимальной деформацией корпуса, то крышки-заглушки, воспринимая часть прилагаемой к корпусу нагрузки, уменьшают деформацию корпуса, в том числе и в зоне установки тензорезисторов, и это в конечном итоге приводит к снижению точности тензоизмерительного датчика.

При малой длине глухих отверстий зоны герметизации отверстий находятся очень близко к зоне установки тензорезисторов, и при формировании в отверстии пробок из герметика не исключено попадание герметика в зону установки тензорезисторов, т.е. на тензорезисторы, что может привести к некорректной работе или поломке тензорезисторов, что равносильно поломке тензоизмерительного датчика.

Необходимость применения лазерной сварки в значительной степени усложняет технологию изготовления тензодатчиков.

В основу настоящего изобретения положена задача создания нового тензоизмерительного датчика S-образного типа, конструкция которого позволила бы повысить точность и надежность работы тензоизмерительного датчика S-образного типа.

Следующей задачей настоящего изобретения является улучшение технологичности изготовления тензоизмерительного датчика S-образного типа за счет конструктивных изменений.

Эти задачи решены в новом тензоизмерительном датчике S-образного типа, содержащем

корпус из упругого материала с передней поверхностью, задней поверхностью, верхней поверхностью, нижней поверхностью, первой боковой поверхностью и второй боковой поверхностью;

первую прорезь, выполненную в корпусе и смещенную от центра корпуса к его верхней поверхности;

вторую прорезь, выполненную в корпусе и смещенную от центра корпуса к его нижней поверхности;

отверстие, выполненное в корпусе и проходящее от первой боковой поверхности корпуса к второй боковой поверхности корпуса и между прорезями;

тензорезисторы, закрепленные на внутреннем участке поверхности корпуса, ограничивающем центральную часть отверстия;

средство для подачи электрического питания на тензорезисторы, закрепленное на корпусе и электрически соединенное с тензорезисторами;

средство для передачи сигнала, поступающего от тензорезисторов, на внешнее устройство, при этом средство для передачи сигнала закреплено на корпусе и электрически соединено с тензорезисторами;

и

средство для герметизации отверстия, закрепленное на корпусе.

В тензоизмерительном датчике S-образного типа, выполненном согласно изобретению, отверстие проходит не от передней поверхности корпуса к его задней поверхности, а от первой боковой поверхности корпуса тензодатчика к его второй боковой поверхности, и в этом случае длина этого отверстия составляет 100% от расстояния между боковыми поверхностями корпуса, т.е. отверстие имеет максимально возможную длину, равную габаритному размеру корпуса тензодатчика по его ширине. В результате выполнения отверстия вышеописанным образом длина отверстия в корпусе тензодатчика существенно увеличивается, примерно в два раза, по сравнению с суммарной длиной глухих отверстий известного тензодатчика с соосными глухими отверстиями, проходящими между передней и задней поверхностями корпуса тензодатчика.

Увеличение длины отверстия позволяет максимально удалить места установки крышек-заглушек от зоны установки тензорезисторов, в которой осуществляется измерение деформации корпуса тензодатчика, и таким образом минимизировать влияние крышек-заглушек на деформацию корпуса именно в центральной части отверстия, в которой осуществляется измерение деформации корпуса тензорезисторами, и, таким образом, исключить ухудшение точности тензодатчика, обусловленное наличием в конструкции тензодатчика крышек-заглушек. Другими словами, вышеописанное изменение конструкции тензоизмерительного датчика S-образного типа приводит к повышению его точности.

Из-за того, что в такой конструкции тензодатчика зоны герметизации отнесены на большое расстояние от зоны установки тензорезисторов, то исключается попадание герметика на тензорезисторы, если герметик все же применяется. Таким образом повышается надежность работы тензоизмерительного датчика S-образного типа.

Было бы целесообразно, чтобы средство для герметизации отверстия представляло бы собой металлическую крышку-заглушку, запрессованную в отверстие. Такое выполнение средства для герметизации отверстия просто в изготовлении, технологично в установке и достаточно надежно для герметизации отверстия. Применение запрессованных крышек-заглушек позволяет отказаться от использования пробок из силиконового герметика, а также отказаться от использования лазерной сварки для закрепления крышки-заглушки на корпусе тензодатчика, что в значительной степени упрощает технологию изготовления тензоизмерительного датчика заявленной конструкции.

Для увеличения деформации измерительной зоны корпуса под воздействием нагрузок было бы целесообразно выполнить в корпусе пазы и/или дополнительные отверстия, проходящие вблизи участка поверхности корпуса, на котором установлены тензорезисторы. Пазы должны быть выполнены на передней и/или задней поверхностях корпуса, при этом было бы желательно, чтобы эти паза проходили бы от первой прорези к второй прорези. Отверстия должны проходить от передней поверхности корпуса к его задней поверхности. Наличие пазов и/или отверстий, выполненных в корпусе тензодаточика вышеописанным образом, приводит к тому, что стенки корпуса тензодатчика, находящиеся вблизи зоны измерения деформации, становятся более тонкими, что способствуют увеличению деформации корпуса именно в зоне установки тензорезисторов, и это в конечном итоге повышает точность тензодатчика.

Необходимо отметить, что в известных тензодатчиках глухие отверстия из-за маленькой длины имеют маленький объем и как результат этого - у производителей таких тензодатчиков возникают сложности в размещении внутри корпуса, помимо тензорезисторов, каких-либо иных электронных устройств различного назначения. Наличие в отверстии тензодатчика поперечной перегородки усугубляет эти сложности. В заявляемом тензоизмерительном датчике S-образного типа объем отверстия существенно, приблизительно в два раза, превышает суммарный объем глухих отверстий известного тензодатчика и поперечная перегородка в его конструкции не предусмотрена. Это позволяет разместить внутри корпуса заявляемого тензодатчика, помимо тензорезисторов, иные электронные устройства различного назначения. Например, было бы целесообразно разместить в отверстии тензодатчика электронное устройство для корректирования поступающего от тензорезисторов электрического сигнала и/или преобразования поступающего от тензорезисторов электрического сигнала в сигнал другого типа. Понятно, что производитель заявляемого тензодатчика не будет испытывать каких-либо сложностей с установкой такого электронного устройства, так отверстие имеет увеличенный объем и нет поперечной перегородки. Необходимо также отметить, что указанное электронное устройство находится внутри корпуса тензодатчика, а именно в его герметизированном отверстии, и таким образом это устройство защищено от негативного воздействия влаги, пыли, а также вредного механического воздействия. Это повышает надежность работы тензодатчика. Указанное электронное устройство представляет собой печатную плату с размещенными на ней электронными компонентами. Устройство закреплено внутри отверстия, при этом исключается его физический контакт с тензорезисторами. Устройство электрически связано с тензорезисторами и средством для передачи сигнала, поступающего от тензорезисторов, т.е. выходного сигнала тензодатчика.

В дальнейшем настоящее изобретение, а именно тензоизмерительный датчик S-образного типа, будет более подробно раскрыто в рамках нижеследующего примера реализации изобретения, со ссылками на изображения, на которых

Фиг. 1 изображает соответствующий настоящему изобретению тензоизмерительный датчик S-образного типа, перспективный вид сверху;

Фиг. 2 изображает соответствующий настоящему изобретению тензоизмерительный датчик S-образного типа, перспективный вид снизу;

Фиг. 3 изображает соответствующий настоящему изобретению тензоизмерительный датчик S-образного типа, вид спереди;

Фиг. 4 изображает продольный разрез тензоизмерительного датчика S-образного типа, соответствующего настоящему изобретению;

Фиг. 5 изображает разрез А-А на Фиг. 3, в увеличенном масштабе 2:1;

Фиг. 6 изображает разрез Б-Б на Фиг. 3, в увеличенном масштабе 2:1.

На Фигурах 1-6 изображен выполненный в соответствии с настоящим изобретением тензоизмерительный датчик S-образного типа, в различных видах и разрезах. Этот тензоизмерительный датчик содержит корпус 1 (см. Фиг. 1 или Фиг. 2), имеющий переднюю поверхность 2, заднюю поверхность 3, верхнюю поверхность 4, нижнюю поверхность 5, первую боковую поверхность 6 (см. Фиг. 3) и вторую боковую поверхность 7. В корпусе 1 выполнены первая прорезь 8, смещенная от центра корпуса 1 к его верхней поверхности 4, и вторая прорезь 9, смещенная от центра корпуса 1 к его нижней поверхности 5. Также в корпусе 1 выполнено отверстие 10 (см. Фиг. 4 и Фиг. 6), проходящее от первой боковой поверхности 6 корпуса к второй боковой поверхности 7 корпуса 1 и между прорезями 8 и 9. На внутреннем участке поверхности корпуса 1, ограничивающем центральную часть отверстия 10, закреплены тензорезисторы 11 (см. Фиг. 6). Кроме этого, тензоизмерительный датчик содержит средство для подачи электрического питания на тензорезисторы, закрепленное на корпусе 1 и электрически соединенное с тензорезисторами 11. В данном варианте выполнения средство для подачи электрического питания на тензорезисторы содержит контакты 12 и соответствующие им провода, посредством которых подается электрическое питание на тензорезисторы 11 от внешнего источника напряжения. Также в конструкции тензоизмерительного датчика предусмотрено средство для передачи сигнала, поступающего от тензорезисторов, который также является выходным сигналом тензодатчика, подаваемым на внешнее устройство. Это средство для передачи сигнала, поступающего от тензорезисторов, также закреплено на корпусе 1 и электрически соединено с тензорезисторами 11. Средство для передачи сигнала, поступающего от тензорезисторов, содержит контакты 13 и соответствующие им провода, посредством которых сигнал от тензорезисторов 11 передается на внешнее устройство. Контакты 12 и 13 вышеупомянутых средств закреплены в блочной части 14 разъема, который закреплен на корпусе 1 со стороны второй боковой поверхности 7 корпуса 1, при этом блочная часть 14 разъема препятствует проникновению влаги и пыли в отверстие 10 корпуса 1 тензоизмерительного датчика со стороны второй боковой поверхности 7 корпуса 1. Кроме этого тензоизмерительный датчик содержит средство для герметизации отверстия 10 в корпусе 1. Это средство закреплено на корпусе 1 и содержит металлическую крышку-заглушку 15, запрессованную в отверстие 10 со стороны первой боковой поверхности 6 корпуса 1. Следует обратить внимание на то, что блочная часть 14 разъема и металлическая крышка-заглушка 15 закрепляются в местах, находящихся на максимально возможном расстоянии от зоны установки тензорезисторов 11 (см. Фиг. 4 и Фиг. 6), при этом это расстояние практически равно половине габаритного размера корпуса 1 тензоизмерительного датчика по его ширине, измеряемой между первой боковой поверхностью 6 корпуса и второй боковой поверхностью 7 корпуса. При таком расположении блочная часть 14 разъема и металлическая крышка-заглушка 15 не уменьшают деформацию корпуса 1 в зоне установки тензорезисторов 11 при приложении к корпусу 1 измеряемого усилия, и, таким образом, не влияют на точность тензоизмерительного датчика. При этом обеспечивается герметичность отверстия 10 и исключается негативное воздействие влаги, пыли, ударов и вибраций на тензорезисторы 11 и любые электронные устройства, размещаемые в тех или иных целях в отверстии 10 корпуса 1 тензоизмерительного датчика. Такое конструктивное исполнение тензодатчика в конечном итоге повышает точность и надежность тензоизмерительного датчика.

Следует обратить внимание, что объем отверстия 10 в тензоизмерительном датчике, выполненном согласно изобретению, достаточен для размещения в нем, помимо тензорезисторов 11, иных электронных устройств. В данном варианте исполнения тензоизмерительного датчика предусмотрено электронное устройство для корректирования поступающего от тензорезисторов электрического сигнала и/или преобразования поступающего от тензорезисторов электрического сигнала в сигнал другого типа, например - в цифровой сигнал. Данное устройство содержит миниатюрную плату 16 (см. Фиг. 4 и Фиг. 6) с электронными компонентами, обеспечивающими коррекцию поступающего от тензорезисторов электрического сигнала и/или преобразования поступающего от тензорезисторов электрического сигнала в сигнал другого типа. Устройство установлено в отверстии 10 таким образом, что исключается его физический контакт с тензорезисторами 11. Устройство электрически связано проводами с тензорезисторами 11 и контактами 13 средства для передачи сигнала, поступающего от тензорезисторов 11.

В корпусе 1 тензоизмерительного датчика выполнены пазы 17, 18 и дополнительные отверстия 19, 20 (см. Фиг. 3, Фиг. 4 и Фиг. 5), проходящие вблизи внутреннего участка поверхности корпуса 1, на котором закреплены тензорезисторы 11. Паз 17 выполнен в корпусе 1 со стороны передней поверхности 2 корпуса 1, а паз 18 выполнен со стороны задней поверхности 3 корпуса 1, при этом каждый из пазов 17, 18 проходят от первой прорези 8 к второй прорези 9 корпуса 1. Дополнительные отверстия 19, 20 проходят от передней поверхности 2 корпуса 1 к его задней поверхности 3. Пазы 17, 18 и дополнительные отверстия 19,20 утончают участки корпуса 1, находящиеся вблизи зоны установки тензорезисторов 11. В результате этого деформация корпуса 1 в зоне установки тензорезисторов 11 увеличивается, что в конечном итоге приводит к повышению точности тензоизмерительного датчика S-образного типа, выполненного согласно изобретению.

Подытоживая все вышесказанное, для специалиста в данной области техники должно быть понятно, что техническим результатом, достигаемым в рамках настоящего изобретения, является получение нового тензоизмерительного датчика S-образного типа, обладающего, по сравнению с известными тензоизмерительными датчиками S-образного типа, более высокой точностью, лучшей надежностью и лучшей технологичностью в изготовлении.

Изобретение относится к тензоизмерительным датчикам S-образного типа и может быть использовано для определения значений усилий, прикладываемых к датчику. Сущность: тензоизмерительный датчик S-образного типа содержит корпус из упругого материала с передней поверхностью, задней поверхностью, верхней поверхностью (4), нижней поверхностью (5), первой боковой поверхностью (6) и второй боковой поверхностью (7). В корпусе выполнены первая прорезь (8), смещенная от центра корпуса к его верхней поверхности (4), и вторая прорезь (9), смещенная от центра корпуса к его нижней поверхности (5). Также в корпусе выполнено отверстие (10), проходящее от первой боковой поверхности (6) корпуса к второй боковой поверхности (7) корпуса и между прорезями (8, 9). На внутреннем участке поверхности корпуса, ограничивающем центральную часть отверстия (10), закреплены тензорезисторы. Кроме того, тензоизмерительный датчик содержит средство для подачи электрического питания на тензорезисторы, закрепленное на корпусе и электрически соединенное с тензорезисторами. Также в конструкции тензоизмерительного датчика предусмотрено средство для передачи сигнала, поступающего от тензорезисторов, на внешнее устройство. Средство для передачи сигнала закреплено на корпусе и электрически соединено с тензорезисторами. Также на корпусе закреплено средство для герметизации отверстия. Технический результат: повышение точности, надежности и технологичности в изготовлении. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Тензоизмерительный датчик S-образного типа, содержащий:

корпус из упругого материала с передней поверхностью, задней поверхностью, верхней поверхностью, нижней поверхностью, первой боковой поверхностью и второй боковой поверхностью;

первую прорезь, выполненную в корпусе и смещенную от центра корпуса к его верхней поверхности;

вторую прорезь, выполненную в корпусе и смещенную от центра корпуса к его нижней поверхности;

отверстие, выполненное в корпусе и проходящее от первой боковой поверхности корпуса к второй боковой поверхности корпуса и между прорезями;

тензорезисторы, закрепленные на внутреннем участке поверхности корпуса, ограничивающем центральную часть отверстия;

средство для подачи электрического питания на тензорезисторы, закрепленное на корпусе и электрически соединенное с тензорезисторами;

средство для передачи сигнала, поступающего от тензорезисторов, на внешнее устройство, при этом средство для передачи сигнала закреплено на корпусе и электрически соединено с тензорезисторами;

и

средство для герметизации отверстия, закрепленное на корпусе.

2. Датчик по п. 1, в котором средство для герметизации отверстия представляет собой металлическую крышку-заглушку, запрессованную в отверстие.

3. Датчик по п. 1, в корпусе которого выполнены пазы и/или дополнительные отверстия, проходящие вблизи внутреннего участка поверхности корпуса, на котором закреплены тензорезисторы.

4. Датчик по п. 3, в котором пазы выполнены в корпусе со стороны его передней поверхности и задней поверхностей, при этом пазы проходят от первой прорези к второй прорези.

5. Датчик по п. 3, в котором дополнительные отверстия проходят от передней поверхности корпуса к его задней поверхности.

6. Датчик по п. 1, дополнительно содержащий электронное устройство для корректирования поступающего от тензорезисторов электрического сигнала и/или преобразования поступающего от тензорезисторов электрического сигнала в сигнал другого типа, при этом указанное электронное устройство размещено в отверстии корпуса и электрически связано с тензорезисторами и средством для передачи сигнала, поступающего от тензорезисторов, на внешнее устройство.