Весоизмерительное устройство Советский патент 1983 года по МПК G01G3/08 

.Изобретение относится к весоизмерительной технике, в частности к весам с упругим элементом в виде плоской пружины. Известны весы с цифровой индикацией , содержащие листрвую пружину, на которой смонтированы тен.эодатчики, подключенные к регистрирующей -аппаратуре l . Недостаток указанных весов - невысокая точность. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является весоизмерительное устройство, содержащее два идентичных упругих чувствительных элемента с тензодатчиками, консольно закрепленных симметрично с противоположных сторон корпуса, и грузоприемные. опоры 2 . Недостаток известного устройства заключается в неудовлетворительной точности из-за теплового и электромагнитного влияния взвешиваемых образцов на чувствительные элементы ве сов. Цель изобретения - повышение точности за счет исключения теплового и электромагнитного влияния взвешиваемых предметов. Поставленная цель, достигается тем что ввесоизмерительном устройстве, содержащем два идентичных упругих чувствительных элемента с тензодатчи ками, консольно закрепленных симметрично с противоположных сторон корп са, и грузоприемные опоры, последние Iвыполнены в виде закрепленных на сво бодных концах упругих чувствительных элементов ножевых пластин, верхние кромки которых расположены перпендикулярно продольной оси упругих чувст вительных элементов,при этом ножевые пластины выполнены иэ теплоизоляцион ного и неэлектропроводного материала Упругие чувствительные элементы могут быть выполнены из биморфных пьезокварцевых пластин, На фиг.1 представлена функциональ ная схема предлагаемого устройства, на фиг,2 - датчик давления, общий вид, продольный разрез , на фиг.З то же, поперечный осевой разрез , на фиг.4 - то же, вид сверху; на Фиг.5 упруго-чувствительный элемент с рабо чим с компенсационным терморезистора ми, общий вид , на фиг.б - принциплальная схема весоизмерительного устройства с использованием в нем тензорезисторов; на фиг.7 - то же, с использованием пьезокварцевых элемен тов 1 . Устройство (фиг,) содержит датчик 1 веса, измерительный усилитель 2, элементы 3 и 4, включенные между выходами 5 и 6 датчика1. и входами 7-9 измерительного усилителя 2, имею щего выходной зажим 10. Пунктиром на фиг.1 показан взвешиваемый предмет, например диск, Датчик 1 веса (фиг,2-4) состоит из корпуса 11, например метгшлического короба - параллелепипеда, в котором симметрично с противоположных сторон консольно закреплены два идентично выполненных упругих чувствитель ных элемента 12 и 13, При этом кромки корпуса 11 в месте закрепления консольных элементов .образует прямой угол с продольной осью элементов 12 и 13, На свободных концах элементов 12 и 13 жестко закреплены (например, приклеены) грузоприемные ножевые пластины 14 и 15, изготовленные из теплоизоляционного и неэлектропроводного материала и выступающие за верхний край корпуса 11, закрытого крышкой 16, в которой сделаны поперечные пазы для свободного (с зазорами по : периметру) прохождения ножевых пластин 14 и 15, Верхние кромки ножевых пластин 14 и 15 выставлены на одном горизонтальном уровне параллельно основанию корпуса 11 и перпендикулярно осевой линии чувствительных элементов 12 и 13 (фиг.4) , Расстояние 17 между ножевыми плаатилами 14 и 15, а точнее, между их верхними кромками и их ширина 18 взаимосвязаны с диаметром взвешиваемых предметов (дисков). В частности, расстояние 17 устанавливается в диапазоне от одной трети до двух третей диаметра диска, а ширина 18 ножевых : пластин выбирается порядка диаметра диска. Крышка 16 крепится к корпуг-у 11 с. помощью винтов 19 и 20, причем винт 20 крепит также металлический монтажный лепесток 21 (земельную клемму). В стенках корпуса 11 вмонтированы разъемы - элект:роизоляционные втулки 22 и 23 с запрессованными металлическими стержнями, являющимися выходами 5 и б, Упругие чувствительные элементы 12 и 13 находятся в пазу 24 корпуса 11, который заполнен неэлектропроводной жидкостью, например трансформаторньм маслом. В варианте выполнения устройства, показанном на фиг.З и б, тензорезисторы 25-27 расположены с верхней стороны чувствительного элемента 12 (плоская пружина), При этом компенсационный тензорезистор 25 расположен перпендикулярно продольной оси эле-. мента 12 поблизости от его края, закрепляемого в корпусе 11 датчика 1. Рабочий тензорезистор состоит из двух последовательно соединенных тензорезисторов 26 и 27, расположенных вдоль продольных кромок элемента 12, Такое вьптолнение рабочего тензорезистора позволяет исключить зависимость выход ного сигнала чувствительного элемента 12 от положения взвешиваемого предмета на груэоприемной ножевой пластине 14 (ISV в поперечном направ лении, Тензорезистор 25 и рабочие тензорезисторы 26 и 27 включаются в мосто вую измерительную схему 28, два других плеча которой образуют прецизион ные резисторы 29 и 30, Аналогичную мостовую схему 31 образуют прецизион ные резисторы 32 и 33 и тензорёзксто ры 34-36 второго чувствительного эле мента 13, . Питающие диагона ли мостовых схем 28 и 3J. подключены к источнику 37 напряжения, а их измерительные диагонали через неинвертирующий и инвер тирующий усилители 33 и 39 и резистивные делители 40 и 41 напряжения к входам 7 и 8. измерительного усилителя 2,. Благодаря такой схеме включения .осуществляется суммирование приращений сигнашов рабочих тензорезисторов 26, 27 и 35, 36 чувствительных элементов 12 и 13, изгибающихся под дей ствием поставленного на грузоприемны ножевые пластины 14 и 15 взвешиваемо го предмета. Усилители 38 и 39 совместно с резистивными делителями 40 и 41 образу ют прдстроечные элементы 3 и 4, За счет начальной регулировки коэффициента передачи делителя 40 или 41, осуществляемой путем соответствующей регулировки подстроечного резистора 42 или 43, сигнал на выходе 10 измерительного усилителя 2 соответствует истинному весу взвешиваемого предмета независимо от его положения (в пределах разрешенного пространственного допуска) на грузоприемных ножевых пластинах 14 и 15. При снятии взвешиваемого, предмета уровень выходного сигнала как усилителя 38, так и усилителя 39 принимает нулевое значение, что достигается соответствующей балансировкой мостовых схем 28 и 31, Вместо нанесения на верхнюю сторону элемента 12 компенсационного тензорезистора 25 (фиг,5) можно осуществить нанесение второго рабочего тензорезистора на нижнюю сторону элемента 12 аналогично выполнению тензорезисторов 26 и 27, При этом достигается не только компенсация температурного дрейфа нуля мостовой cxeivM 28 .(31) , но и в два раза повышается коэффициент преобразования деформации в электрический сигнал по сравнению с предыдущим вариантом. При полной идентичности чувствительных элементов 12 и 13 (фиг,2 схема, изображенная на фиг,б, может быть упрощена за счет включения в . мостовую схему 28 вместо прецизионных резисторов 29 и 30 тензорезисторов 34-36 второго чувствительного элемента 13 и непосредственного подключения входов 7 и 8 измерительного усилителя 2 к измерительной диагонали мостовой схемы 28, Тензорезисторы 25-27, показанные на фиг,5, могут быть дискретного исполнения, приклеиваемые на упругий ;элемент 12, или интегрального исполнени 5, напыляемые или выращиваемые :на подложке - упругом элементе 12, что является более предпочтительным для задачи взвешивания легких предметов , Другая модификация устройства основана на применении биморфных пьезокварцевых элементов в качестве упруго-чувствительных элементов 12 и 13, В соответствии с принципиальной электрической схемой, показанной на фиг,7, центральные электроды элементов 12 и 13 подключены к инвертирую-, щему входу 7 измерительного усилителя 2, снабженного интегрирующим конденсатором 44, через масштабирующие конденсаторы 45 и 46 постоянной емкости и конденсаторы 47 и 48 переменной емкости, а наружные обкладки электроды биморфных элементов 12 и 13 подключены к корпусной (земляНой,) .клемме 9, Усилитель 2 с интегрирующим конденсатором 44 .я:в.пяется усилителем электрического заряда, а конденсаторы 45, 47 и 46, 48 образуют подстроечные элементы 3 и 4, показанные на фиг,1, Биморфные пьезокварцевые элементы 12 и 13, консольно закрепленные в корпусе 11 датчика 1, под действием взвешиваемого предмета ДОПОЛНИТРЛЬНО изгибаются, вырабатывая соответствующие электрические заряды, передаваеf/bse через конденсаторы 45-48 на вход усилителя заряда, преобразующего их в приращение величины электрического напряжения , на выходе 10, За счет регулировки подстроечных онденсаторов 4/ и 46 достигается неависимость выходного сигнала усилиеля заряда от положения взвешиваемоо на грузоприемных ножевых пластинах 4 и 15 даже в случае неидентичности арактеристик двух консольных биморфых элементов - упругих чувствительых элементов 12 и 13, В случае же полной идентичности иморфных пьезоэлементов 12 и 13 небходимо гт Б конденсаторах 45-48 отадает,, и центральные электроды биорфных элементов непосредственно одключаются к входу 7 усилителя 2, При использовании биморфных пьезоварцевых элементов усилитель 2 долен представлять собой электрометриеский усилитель заряда, а корпус 11 атчика 1 может иметь не сплошную, а рамочную конструкцию, поскольку отпадает необходимость в здливке пьезокварцевых элементов тепло- и электроизоляционной жидкостью. В то же время заземление корпуса 11 и крышки 16, показанное на фиг.1, является необхоЯимам для электростатической и электромагниунрй экранировки датчика веса Устройство работает следующим о6 разом. До поставки взвешиваемого предмета на груэоприемные. ножевые пластины 14 и 15 чувствительные элементы 12 и 13 находятся в начальном напряженном состоянии, обусловленном их собственным весом, и вырабатывают при этом сигналы постоянного уровня на выходах 5 и б соответственно. Последние могут быть скомпенсированы за счет начальной регулировки подстроечных элементов 3 и 4, в результате чего на выходе 10 измерительного усилителя 2 уровень выходного напряжения принимает нулевое значение. На рабочей, измерительной, стадии на грузоприемные ножевые пластины 14 и 15 кладется взвешиваемый предмет приблизительно симметрично относительно п)одольнрй и поперечной осей датчика 1. Под действием веса предме та упругие чувствительные элементы 12 и 13 дополнительно изгибаются,.вы зывая приращения уровней сигналов на выходах 5 и 6 -пропорционально частям веса диска, приходящимся на каждую половину датчика 1, Эти приращения сигналов индивидуально масштабируются в подстроечны элементах 3 и 4 и затем поступаюТ на входы 7 и 8 измерительного усилителя 2. Приращение суммарного сигнала на выходе 10 усилителя 2 оказывается пропорциональным весу диска независи мо от смещения центра диска от продольной и поперечной осей симметрии датчика 1, Некоторая неидентичность коэффици ента преобразования чувствительных элементов 12 и 13, обусловленная тех нологическими допусками их изготовле ния и установки в корпусе 11, ко:мпен сируётся за счет дополнительной плав Hoj или ступенчатой регулировки , строечных элементов 3 и 4, определяющих масштаб преобразования и полностью выравниваняцих чувствительность суммируемых каналов. На следующей стадии взвeшивae лый гдиск сдвигается с грузоприемных ножевых пластин 14 и 15, чувствительные элементы 12 и 13 возвращаются в ис-. ходное положение, и на выходе 10 измерительного усилителя фиксируется начальный, в частности нулевой, уровень напряжения. цикл .взвешивания повторяется с другим экземпляром .предмета. Для удобства надвигания взвешиваемых предметов на грузоприемные ножевые пластины 14 и 15 и снижения динамических нагрузок.на упругие чувствительные элементы 12 и 13 ножевые пластины 14 и 15 выполняются с заходным скосом (фиг.5), Выполнение корпуса 11 в виде а- : земленного замкнутого металлического короба, в котором консольно закрепленные чувствительные элементы 12 и 13 полностью погружены в объем неэлектропроводной жидкости, резко снижает уровень высокочастотных помех в выходном сигнале, наводимых от внеш-. них электрических источников переменного тока, уровень низкочастотных помех типа временного дрейфа нуля и температурных уходов напряжения при колебаниях температуры окружающей среды и при произвольных перемещени-; ях воздушных масс, уменьшает время переходного колебательного процесса при ударном нагружении и разгружении упруго-чувствительных элементов, что позволяет увеличить частоту повторения циклов взвешивания. В случае реализации предлагаемого устройства в сухом варианте, что является иногда предпочтительным с точки зрения упрощения обслуживания устройства, отмеченные положительные его кач-ества сохраняются за исключением последнего, касающегося быстродействия. Выполнение груэоприемных ножевых пластин 14 и 15 из теплоизоляционного и неэлектропроводного материала позволяет уменьшить паразитные сигналы натечек заряда и температурный дрейф датчика, обусловленный взаимодействием выступающих частей грузоприемных пластин- с окружающей средой и взвешиваемым предметом, Грузоприемные ножевые пластины могут быть изготовлены, например, из сапфира или комбинированными, s частности из пенопласта и сапфира, Пов1 1шение точности взвешивания обусловливает технико-экономическую эффективность предлагаемого устройства. 2/ to fuzA

Фиг.К If IS / Фи.1.3 /

иг,7

1. ВЕСОИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее два идентичных упругих чувствительных элемента с тенэодатчиками, консольно закрепленных симметрично с противоположных сторон V корпуса, и груэоприемные опоры, о т л и ч а. ю щ е е с я тем, что, с цеЧ лью повышения точности за счет исключения теплового и э ектромагнитного влияния взвешиваемых предметов, грузоприемные опоры выполнены в виде закрепленных на свободных концах упругих чувствительных элементов ножевых пластин, верхние кромки которых расположены перпендикулярно продольной оси упругих чувствительных элементов, при этом ножевые пластины выполнены ид теплоизоляционного и неэлектропроводного материала, 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упругие чувствительные элементы выполнены из бйморфных пьезокварцевых пластин. S