Устройство для измерения силы Советский патент 1992 года по МПК G01L1/14 

Изобретение относится к области черной металлургии и может быть использовано, в частности, в сталеплавильном производстве для контроля массы. .

Известно устройство, содержащее датчик омического сопротивления (тензорези- стор), упругую балку, источник постоянного тока, измерительный прибор. Тензорези- сторы, изготовленные на бумажной или пленочной основе, закрепляются с помощью клея БФ-2 или бакелитового клея на упругой балке и образуют электрическую схему моста, в диагональ которого подключают источник постоянного тока, а другая диагональ является выходной и подключается на вход измерительного прибора. Под действием приложенной силы упругая балка деформируется. 3ia деформация (прогиб) балки вызывает деформацию тензорези- стора и изменение его омического сопротивления, о результате чего на выходе

моста появляется электрический сигнал, пропорциональный приложенной нагрузке. Величина сигнала является мерой приложенной к балке силы.

Основным недостатком проволочных тензорезисторов является их малый коэффициент тензочувствительности,а для полупроводниковых тензорезисторов характерно более высокая степень зависимости их характеристик от температуры, особенно при отрицательных температурах, кроме того при наклеивании тензорезисторов на упругую балку необходимо учитыва1 различия температурных коэффициентов расширения тензоэлементов и балки. Температурные условия эксплуатации тензоп- реобразователей и разные коэффициенты расширения элементов преобразователей и балки ограничивают их применение в качестве преобразователей для измерения силы под действием приложенной массы.

О

СА 00 XI

Известно устройство, которое по большинству признаков выбрано нами за прототип, содержащее механотронный датчик усилий, выполненный в виде еопрях енно- го с узлом перемещения анода сдвоенного диода, который через анодные нагрузки подключен к источнику питания и измерительный прибор.

Недостатком этого устройства является то, что при выборе диапазона чувствительности в соответствии с величиной действу- ющих усилий необходимо изменить положение наконечника по штырю узла перемещения анода, в результате чего увеличивается начальный ток через сдвоенный диод, что приводит к повышенной чувствительности прибора в целом, к вибрации и шуму. Кроме того, упругая пластина меха- нотрона, через которую проходит штырь, находится под действием температуры нити накаливания сдвоенного диода, что вызывает непрерывный дрейф шкалы измерительного прибора, в результате чего в измерения усилий вносятся случайные ошибки, Все это значительно снижает точность измерения усилий под действием прилагаемых нагрузок. При включении ме- ханотрона в измерительную схему, питание которой осуществляется от стабилизированного источника напряжения, требуется применять более сложные технические решения для приема и усиления сигналов постоянного тока, особенно, при передачи их на большие расстояния. Применяемая аппаратура для приема и усиления сигналов постоянного тока не обладает высокой стабильностью температурных и временных характеристик. Следовательно, перечисленные недостатки значительно ограничивают применение указанного механотрона в качестве преобразователя механических усилий в электрический сигнал.

Целью изобретения является повышение точности за счет компенсации температурного дрейфа и увеличение чувствительности механотронного датчика усилий.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения силы, содержащее механотронный датчик усилий, выполненный в виде сопряженного с узлом перемещения анода сдвоенного диода, который через анодные нагрузки подключен к источнику питания и измерительный прибор, согласно изобретению, введены упругая мембрана, установленная на механотронном датчике и соединенная с узлом перемещения анода, металлический диск, неподвижно размещенный параллельно мембране с зазором 0,3-0,5 мм, высокочастотный генератор, в колебательный

контур которого включен конденсатор, обкладками которого являются мембрана и металлический диск, вход которого подключен к анодам механотронного датчика,

а выход-через введенный блок преобразования высокочастотного сигнала подключен к измерительному прибору.

Преобразование механических усилий с помощью мехзнотронного датчика, подвиж0 ный анод которого сопряжен со штырем, в электрический сигнал осуществляется обычно по постоянному току, При передаче сигнала на большие расстояния обычно в этих Случаях применяют усилители постоянного

5 тока (УПТ). УПТ обладают малым коэффициентом усиления, большим временным и тем- пературным дрейфом, поэтому их применение вносит в результат измерения значительные ошибки. Высокая чувстви0 тельность механотронного датчика со штырем к вибрации сужает диапазон его применения. Расширение диапазона преобразований для данного датчика связано с изменением размеров упругой балки и уста5 новочных размеров самого устройства. Введение высокочастотного преобразования за счет дополнительного диска, образующего с мембраной механотрона конденсатор, предусматривает применение усилителей пере0 менного тока, которые по своим параметрам в значительной мере превышают УПТ. Используемое двойное преобразование, сочетающее преобразование по постоянному и переменному токам, увелм5 мивает коэффициент преобразования, повышает точность измерения, выделение полезного сигнала на фоне действующих электромагнитных полей. Предлагаемая конструкция преобразователя допускает

0 расширение диапазона преобразования механических усилий за счет регулирования предварительного нагружения мембраны механотрона, не уменьшая при зтом чувствительности устройства.

5 Предлагаемое устройство представлено из фиг. 1 и 2.

Механотрон 1 устанавливают в октальную панель 2, закрепленную на фланце-панели 3, на котором затем располагают

0 кольцо 4, имеющее высоту 100 мм, а внутренний и наружный диаметры 38 и 42 мм соответственно. В кольцо 4 вставляют упор 5, выполненный в виде полусферы, сопряженной с цилиндром, через которые выпол5 йена сквозная резьба М 2,5. Фланец-панель 3, кольцо 4, упор 5 выполнены из стали марки 40Х и закалены. Крышка 6 и втулки 7 выполнены отдельно из гетинакса, а затем склеены между собой клеем БФ-2. Шток 8 выполнен в виде двух цилиндров из винипласта, причем на наружной поверхности большего цилиндра выполнен резьба М 2,5. Диск 9 выполнен из мягкой жести с отверстием 3 мм по центру и закреплен на втулке клеем БФ-2. К диску 8 припаян гиб- кий изолированный провод сечением 0.2 мм . Крышку 6 вместе с втулкой 7 и диском 9 размещают ча обечайке - мембранной коробке механотрона 1, так, чтобы зазор между диском 9 и мембраной мехамотрона 1 составлял 0,3-0,5 мм. Диск 9 и мембранную коробку механотрона 1 с помощью гибких изолированных проводов подключают к свободным ламелям панели 2

Генератор 10 выполнен на двух транзи- сторах типа КТ 315, в цепи обратной связи которого включен конденсатор 11, образованный диском 9 и мембраной механотрона 1, Выход измерительной схемы по постоянному току, вк-лючающей анодные нагрузки (сопротивление R4) сдвоенного диода подключен к шинам генератора 10. Выход генератора 10 подключён на вход высокочастотного преобразователя 1, выполненного на операционном усилителе ти- па К553УД1 и диодах типа Д2, Выход высокочастотного преобразователя 12 подключен на вход измерительного прибора 13- самопишущего потенциометра типа КСП-4. Источник питания 14 имеет выходные напря- жения 24 В ± 12 В постоянного тока и 6,3 В переменного тока. Генератор 10 выполнен на отдельной ппате печатным монтажом и закреплен на фланце-панели 3. Источник питания 14, высокочастотный преобразоаатель 12 выполнены вместе на отдельной плате печатным монтажом и помещены в отдельный корпус.

Устройство работает следующим образом.

Сборку устройства (датчик), включающую механотрон 1, колыю4, фланец-панель 3, упор 5 вместе с платой генератора 10 устанавливают на объекте и закрепляют винтами по фланцу 3. Включают источник питания 14 и через 15-20 мин устройство готово к работе. При включенном источнике питания 14 генератор 10 находится в возбужденном состоянии, режим которого обусловливается падением напряжения нг анодной нагрузке (сопротивление Я4) сдвоенного диода механотрона 1 и исходной величиной емкости конденсатора 11, т.е. на выходе генератора 10 формируется сигнал, амплитуда и частота которого обусловлива- ется этими исходными параметрами. Сигнал с выхода генератора 10 поступает на вход высокочастотного преобразователя 12. Этот сигнал восстанавливается по мощности операционным усилителем преобразователя

12 и преобразуется из переменного сигнала в постоянный с помощью диодов типа Д2. Выбранная схема преобразователя 12 в виде г/ктизного выпрями геля позеогпет увеличить чувствительность и умечьшиго динамическую снипОку преобразования. Од- н,ч;со порог чувгтвитзлыюгть прелбрэзова- теля устанавливается по начальной амплитуде сигнала с. выхода генератора 10 путем подачи смещения на аход операционного усилителя преобразователя 12. Таким образом, в исходном состоянии включения устройства стрелкл измерительного прибора 13 находится в положении нуля. Устанавливают положение штока 8 в упоре 5. Для этого вращают отверткой шток 8 и следят за показаниями стрелки измерительного прибора 13; касание штоком 8 мембраны не должно вызывать изменения ее положения. Действие механической нагрузки производится сверху через упор 5. Под действием этой нагрузки происходит деформация кольца 4 - сжатие. При сжатии кольца 4 шток 8 линейно перемещается вниз на величину деформации кольца 4 и вызывает смещение мембраны механотрона i. Смещение мембраны относительно диска 9, зафиксированного на втулке 7 приводит к изменению емкости конденсатора 11 и одновременно к изменению тока через сдвоенный диод. В результате зтого смещения мембраны на шинах генератора 10 появляется напряжение пропорциональное изменению тока через анодную нагрузку (R4) сдвоенного диода, а в цепи обратной связи генератора 10 происходит изменение емкости конденсатора 11. Вследствие изменения этих параметров на выходе генератора 10 появляется сигнал, амплитуда и частота которого обличается от исходного значения. Этот сигнал поступает на вход преобразователя 12. Вследствие того, что амплитуда зтого сигнала превышает пороговое значение преобразователя 12 на его выходе формируется постоянное напряжение, величина которого пропорциональна величине поступающего сигнала. Напряжение с выхода преобразователя 12 поступает нз вход измерительного прибора 13 и вызывает отклонение стрелки. Отклонение стрелки пропорционально величине поступающег. напряжения и может служить мерой длч оценки действия механической нагрузки на упор 5, Зазор между диском 9 и мембраной механогрочз 1 0,3-0,5 мм выбран из условия образования большей емкости конденсатора 11. Изменение сигнала нз выходе генератора 10 по частоте составляет 0.168 МГц. начальная частот - 1,5 МГц, а по амплитуде 0,12 В. Высокая частота и амплитуда сигнала -v

обеспечены схемным решением устройства Использование двойного преобразова- t чя механических усилий в сигнал счожной ормы по постоянному току и по высокой астоте обеспечивает увеличение чувствительности и динамики преобразования, стабильность параметров устройства по времени и по температуре, обеспечивает в целом точность преобразования и надежность в работе.

Пример конкретной реализации,

Сборка устройства (датчик) была установлена на рельсе, по которому перемещалась гележка с мульд мм для доставки шихты в мартеновскую пэ ъ. Устройство для измерения усилий было протарировано на прессе по нагрузке до значения н более 25 тонн с точностью ± 125 кг в соответствии с точностью измерительного прибора 13. Операция взвешивания занимала не более 5 т/с. Средняя масса груженных шихтой мульд составляла в зависимости от плотности взвешиваемой шихты и других материалов 8 - 9,45 т, а масса шихты - 3 - 4,55 т. Временной дрейф устройства составлял не более 7,5 кг/ч, а температурный дрейф не более 4,5 кг/°С в диапазоне температур от -35 до +70°С.

Использование предлагаемого устройства по сравнению с прототипом позволит получить следующие технико-экономические преимущества:

позволит производить взвешивание от 125 кг до 25т;

иметь малый временной и температур ный дрейф 7,5 кг/ч и 4,5 кг/°С соответственно;

улучшить помехозащищенность устройства при работе в условиях действия сильных электромагнитных полей;

расширить диапазон взвешивания масс, не изменяя конструкции м габаритов элементов устройства.

Формула изобретения Устройство для измерения силы, содержащее механотронный датчик усилий, выполненный в виде сопряженного с узлом

перемещения анода сдвоенного диода, который через анодные нагрузки подключен к источнику питания, и измерительный прибор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности за счет компенсации

температурного дрейфа и увеличения чувствительности, о него введень упругая мембрана, установленная ча механотронном датчике и соединенная с узлом перемещения анода, металлический диск, неподвижно размещенный параллельно мембране с зазором 0,3-0,5 мм, высокочастотный генератор, s колебательный контур которого включен конденсатор, обкладками которого являются мембрана и металлический диск,

вход которого подключен к анодам механот- ронного датчика, а выход через введенный блок, преобразования высокочастотного сигнала подключен к измеоитепьному прибору.

5

Сущность изобретения: устройство содержит механотронный датчик в виде сдвоенного диода, анодную нагрузку, вы- сокоча°стотный генератор, блок преобразования высокочастотного сигнала и измерительный прибор. На датчике установлена упругая мембрана, соединенная с узлом перемещения анода, и образующая с металлическим диском, закрепленным на корпус, конденсатор, который вкл очен в колебательный контур высокочастотного генератора, вход которого подключен к анодам механотронного датчика. Выход высокочастотного генератора через блок преобразования высокочастотного сигнала подключен к измерительному прибору. 2 ил.

Щи г. 2