Карманные весы Советский патент 1984 года по МПК G01G3/16 G01G19/44 

Изобретение относится к весовому приборостроению и может быть использовано в качестве карманного прибора для индивидуального взвешивания и взвешивания твердых предметов, Известны карманные весы, содержащие корпус, в котором размещены нагрузочные площадки, плоские пружины и индикатор Ij . Недостатками данного устройства являются значительная масса и неудобство эксплуатгации, обусловленные большим весом механического преобразователя силы и необходимостью установки нуля и коэффициента преобразования перед каждым измерением, а так же чувствительность к изменению положения центра масс измеряемого объе та относительно оси чувствительности преобразователя силы. Наиболее приблизким к предлагаемым весам являются карманные весы, содержаище корпус, в котором размещены грузоприемный узел в виде сопряженных пьезокварцевых пластин, электроды которьос подключены к элемен там И-НЕ, выходы которых подсоедине к сумматорам, и индикатор .. Недостаток известных весов заклю чается в невозможности взвешивания с приемлимой точностью в случае изменения центра тяжести груза, как это имеет место при взвешивании чел века из-за изменения его положения относительно оси весов. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем обеспечения взвешивания при изменяю щемся положении центра массы rpyisa. Указанная цель достигается тем, что в карманные весы, содержащие ко пус, в котором размещены грузоприем ный узел в виде сопряженных пьезокварцевых пластин, электроды, которы подключены к элементам И-НЕ, выходы кот.орых подсоединены к сумматорам, и индикатор, дополнительные грузоприемные узлы в виде сопряженных пьезокварцевых пластин, дополни тельные сумматоры, транзисторный ключ и реле времени, причем каждый грузоприемный узел вьшолнен с плоской пружиной, расположенной между пьезокварцевыми пластинами, а корпу выполнен в виде двух створок, связа ных между собой шарниром, при этом выходы сумматоров подключены к вход первого дополнительного сумматора. выход которого через ключ связан с входом второго допопнительного сумматора,, управляюпц й вход которого и управляющий вход ключа подключены к реле времени. На фиг. 1 показаны весы в плане и схема соединения элементов, на фиг.2разрез Л-А на фиг. 1. Корпус 1 включает в себя створки 2 и 3 (левую и правую) и нагрузочные площадки 4,. каждая из которых расположена соответственно на створках 2 и 3, подвижно связанных между собой посредством цилиндра 5. В открытом состоянии створки 2 и 3 (рабочее положение) располагаются на основании вверх нагрузочными площадками 4 . В закрытом состоянии створки 2 и 3 (нерабочее положение) фиксируются с помощью фиксатора 6, включающего подпружиненные шарики 7, укрепленные на левой створке 2, и пружинные гнезда 8, установленные на правой створке 3. Б корпусе- 1, например, внутри шарнира 5 установлен источник 9 тока, положение которого фиксируется с помощью пружины 10 и винта 11. На нагрузочных площадках 4 (с внутренней стороны) имеются ребра 12 жесткости, кинематически связанные со стяжками 13, расположенными (фиксированно или с зазором) на плоских пружинах 14, концы которых закреплены на боковых стенках створок 2 и 3 корпуса 1. При консольном варианте плоские пружины 14 закреплены только одним концом на боковой стенке створок 2 и 3. Между боковыми стенками створок 2 и 3 и стяжками 13 укреплены сопряженные пьезокварцевые пластины 15 (по две сопряженных пьезокварцевых пластины 15 на каждой стяжке 13). Сопряженные пьезокварцевые пластины 15 имеют идентичные параметры (начальную частоту колебаний, сило-частотный коэффициент, добротность, температзфный коэффициент частоты, геометрические размеры и обработку) , Сопряженные пьезокварцевые пластины 15 имеют электроды 16, В корпусе 1 .размещены элементы И-НЕ 17 (по числу сопряженных пьезокварцевых пластин 15), первые сумматоры 18 (один сумматор на два сопря31

жениые гтьезокнарцевые пластины 15 или два элемента И-НЕ 17), второй сумматор 19, транзисторный ключ 20, третий сумматор 21, реле 22 времени, цифровое электрическое табло 23 (цифровой индикатор) и микропереключатель 24,

Электроды 16 каждой сопряженной пьезокварцевой пластины 15 включены в цепь обратной связи одного элемента И-НЕ 17, представляющего собой, с включенной в цепь положительной обратной связи пьезокварцевой пластины 15, автогенератор.

Цепь обратной связи каждого элемента И-НЕ 17 образует соответствующая сопряженная пьезокварцевая пластина 15 (пьезокварцевый элемент).

Выходы элементов И-НЕ 17 каждой пары сопряженных пьезокварцевых пластин 16 подключены к соответствующему первому сумматору 18, Выход каждого первого сумматора 18 подключен к соответствующему входу второго сумматора 19, выход которого подсоединен к первому входу транзисторного ключа 20, выход которого подключен к первому входу третьего сумматора 21, выход которого соединен с цифровым электрическим табло 23. Выход реле 22 времени подключен к вторым входам транзисторного ключа 20 и третьего сумматора 21. Источник 9 тока соединен через микропереключатель 24 с шинами питания элементов И-НЕ 17, сумматор 18, 19 и 21, реле 22 време ни, цифровым электрическим табло 23, Микропереключатель 24 включен в цепи питания источника 9 тока.

Работа карманных весов основана на использовании прямого и обратного пьезоэлектрических эффектов и силодеформационного эффекта вибрирующего пьезокварцевого кристалла.

Для работы левая и правая створки 2 и 3 корпуса 1 открываются, срабатывает микропереключатель 24, подключающий источник 9 тока к элоктри ческим элементам (цифровому электрическому табло 23, элементам И-НЕ 17, сумматорам 18, 19 и 21, транзисторному ключу 22 и реле 22 времени),

Включенное состояние карманных весов индицируется посредством появления светового обозначения на цифровом электрическом табло 23.

Для производства взвешивания карманные весы в раскрытом состоянии

694

(обе створки 2 и 3 открыты) устанавливаются внешними сторонами створок 2 и 3 на жесткое основание (например, на пол) и взвешиваемьй встает

на левую створку 2 левой ногой и правую створку 3 правой ногой,

Масса взвешиваемого в соответствии с вторым законом Ньютона создает усилие

Ьп,,

где F - усилие, tr - -Maccai g - вектор гравитационного уско- ретя Земли,

Усилие F передается посредством ребер 12 жесткости и стяжек 13 на плоские пружины 14,. закрепленные в левой и правой створках 2 и 3 корпуса 1, обеспечивая неискаженное воздействие (прием) усилия как в спокойном, так и при изменении положения центра масс в процессе взвешивания состоянии на сопряженные пьезокварцевые пластины 15, являющиеся дифференциальным преобразователем силы.

Под действием части усилия 4 F каждая плоская пружина 14 деформируется, вызывая через стяжку 13 в верхней сопряженной пьезокварцевой пластине 15 напряжение растяжения, а в нижней - напряжение сжатия,

Под действием растягивающего напряжения частота пьезоэлектрических колебаний верхней сопряженной пьезокварцевой пластины 15 уменьшается, а под действием сжимающего напряжения в нижней Сопряженной пьезокварцевой пластине 15 увеличивается

. ,

де if

отклонение частоты

верх пьезоэлектрических колебаний верхней сопряженной пьезокварцевой пластины

Af

отклонение частоты пьени Кцзоэлектрических колебаний нижней сопряженной пьезокварцевой пластины, - коэффициент деформационно-частотной чувствительности сопряженной пьезокващевой пластины. 1 начальное -шачение часTOTfj пьезоэлектрических колебаний сопряженной пьезокварцевой пластины, D - диаметр (или усредненный поперечник) сопряженной пьеэокварцевой пластины; h - толщина сопряженной пьезокварцепой пластины uF - часть усилия, действующего на сопряженную пье зокварцевую пластину. Электрические сигналы с каждой пары сопряженных пьезокварцевых плас тин 15 через соответствующие элементы II-HE 17 (работающие в автогенераториом режиме) подаются на первый сумматор 18, где происходит вычитание частот указанных электрических сигналов, в результате чего на выходе первого сумматора 18 появляется сигнал удвоенной разности частот вер.нижм -2 С выходов первых сумматоров 18 электрические сигналы подаются па со ответствуюш 1е входы второго сумматора 19, где происходит арифметическое сложение удвоенных приростов частоты в результате чего на выходе второго сумматора 19 появится электрический сигнал, являющийся результатом удвоенного суммарного отклонения всех пар сопряжен-ных пьезокварцевых пластин 15, возмущенных суммарным механическим напряжением от измеряемой массы -2u{4-2/ii V()4-2ur)H-2ui ).-2&ieyM. Таким образом, на выходе второго сумматора 19 появляется электрический сигнал, частота которого равна удвоенному суммарному значению часготы всех дифферентдиально включенны и распределенных по всей площади нагрузочных площадок 4 пьезокварцев преобразователей (сопряженных пьезо КварцепьЕХ пластин 15) - С выхода второго сумматора 9 эт сигнал подается на первый вход тран 96 зисториого ключа .ч, на tnopoii вход которого FKv;aLTr H злсктричес:кип спгнал с фикси11ог анмым периодом (например, равный 1 с) от реле 22 времени, открывающий транзисторный ключ 20 на фиксированное время равное, например 1 с. В течение этого времени (1 с) частота суммарного электрического сигнала заполняет третий сумматор 21, с котрого считывается зафиксированная В, нем информация (число импульсов) на цифровое э.пектри ческое табло 23, где индицируется в течение фиксированного времени, задаваемого от реле времени (например, в течение 1 с), величина массы взвешиваемого об1зекта. На цифровом электрическом табло 23 показания индицируются непосредственно в единицах массы (килограммах), поскольку преобразование массы в усилие и усилия в электрический частотный сигнал имеет линейнунз (прямо пропорциональную) зависимость, а деформации плоских пружин происходит в пределах (гуковских) прямо пропорциональных деформаций и их жесткость существенно меньше жесткости сопряженньк пьезокварцевых пластин 15. Возможные отклонения центра масс взвешиваемого (при измерении) не вносят пстрешности, поскольку вектор усилия (Р) воспринимается по всей плоскости нагрузочных площадок 4 весов одновременно всеми преобразователями и суммируются. Предлагаемые карманные весы имеют небольшую стоимость и массу вследствие использования серийных интегральных микроэлементов и миниатюрных пьезокварцевых деформационно-частотных преобразователей, вьтолненных из синтетического пьезокварца, повышенную точность измерения массы из-за суммарного измерения усилия с помощью прецизионных дифференциальных сопряженных пьезокварцевых пластин ( преобразователей), распределенных по площади нагрузочной плоскости (нагрузочных площадок).

16

Фиг. 2

1

КАРМАННЫЕ ВЕСЫ, содоржаицие корпус, в котором размещены грузоприемный узел в виде сопряженных пьезокварцевых пластин, электроды которых подключены к элементам И-НЕ, выходы которых подсоединены к сумма торам, и индикатор, отличающиеся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем обе спечения пзвешивания при изменяющемся положении центра массы груза, в них пнедены дополнительные сумматоры, транзт сторный ключ и реле времени, причем каждый грузоприемный узел в 111олпен с плоской пружиной, расположенной между пьезокварцевыми пластинами, а корпус выполнен Q виде двух стпорок, связанных между собо11 шарниром, при этом выходы сумматоров подключены к входам первого донолнительного сумматора, выход i которого через ключ связан с входом второго дополнительного сумматора, (Л управляющий вход которого и управляюппиЧ вход ключа подключены к репе време 1и.. х X) 9) СО