электронные тензовесы

Формула изобретения

1. ЭЛЕКТРОННЫЕ ТЕНЗОВЕСЫ, содержащие весовую платформу с узлами крепления, основание и две весовые опоры, каждая из которых имеет верхнее и нижнее силовые плечи и датчик силы между ними в виде параллелограммного упругого элемента с тензорезисторами, при этом весовые опоры установлены на основании по встречно-параллельной схеме, а нижние силовые плечи весовых опор соединены между собой жесткой связью, отличающиеся тем, что они снабжены двумя параллельными продольными силовыми балками, соединяющими попарно верхние и нижние силовые плечи весовых опор с образованием жесткой силоизмерительной рамки, продольные оси силовых балок которой размещены в вертикальной плоскости симметрии параллелограммных упругих элементов, при этом нижняя продольная силовая балка соединена с основанием с помощью двух взаимно перпендикулярных опорных элементов, размещенных на ее противоположных концах, а узлы крепления весовой платформы размещены на концевых участках верхней продольной силовой балки, примыкающих к весовым опорам.

2. Тензовесы по п. 1, отличающиеся тем, что опорные элементы выполнены в виде горизонтального шарнира, перпендикулярного продольной оси балки, и концевой опоры, связанной с основанием с возможностью продольного перемещения и поворота.

3. Тензовесы по п. 1, отличающиеся тем, что узлы крепления весовой платформы снабжены шарнирами с осями, перпендикулярными верхней продольной силовой балке.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к весовой технике, а именно к двухопорным тензометрическим весам.

Известны электронные тензовесы, содержащие основание, подвижную весовую платформу, средство преобразования движения платформы вниз в электрический сигнал, электронное устройство обработки этого сигнала и средство индикации. Весы характеризуются наличием двух параллельно расположенных S-образных датчиков, каждый из которых снабжен парой тензорезисторов. Датчики установлены между основанием, с которым они жестко связаны, и подвижной платформой, при этом между датчиком и подвижной платформой размещена эластичная прокладка [1]

Недостатком этой конструкции является незащищенность датчиков от воздействия моментов, возникающих при перемещении нагрузки параллельно продольным осям балок, на которых расположены тензорезисторы. Подавление возникающего при этом паразитного сигнала может осуществляться схемой моста или во вторичной аппаратуре посредством отдельной регулировки чувствительности канала каждого тензорезистора. В первом случае остаточная погрешность определяется разбросом чувствительности и сопротивлением тензорезисторов, во втором повышением температурной погрешности вследствие отказа от остовой схемы.

Известны электронные тензовесы, в которых весовая платформа выполнена за одно целое с изгибаемыми балками, на которых размещены тензорезисторы, при этом концы балок соединены с опорами (см. патент США N 4020911, кл. 177-136, опубл. 03.05.77). Недостатки данной конструкции те же, что и предыдущей, плюс отсутствие развязки от натяжения балок при их прогибе под нагрузкой, что может привести к заметной нелинейности и гистерезису характеристик.

Известны также электронные тензовесы, содержащие основание с двумя опорами и весовую платформу, соединенную с опорами с помощью параллелограммных упругих элементов с тензорезисторами (см. заявку Японии N 55-3648, кл. G 01 G 3/14, G 01 L 1/22, опубл. 1980).

В этих весах датчик силы лучше защищен от воздействия крутящих моментов, но так же, как и в предыдущем случае, не имеет развязки от продольного натяжения вследствие прогиба под нагрузкой, что может привести к нелинейности характеристики преобразования.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков являются электронные тензовесы, содержащие весовую платформу с узлами крепления, основание и две весовые опоры, каждая из которых имеет верхнее и нижнее силовые плечи и датчик силы между ними в виде параллелограммного упругого элемента с тензорезисторами, при этом весовые опоры установлены на основании по встречно-параллельной схеме, нижние силовые плечи весовых опор соединены между собой жесткой связью и выполнены за одно целое с основанием, а весовая платформа соединена с верхними силовыми плечами с помощью гибкой подвески, выполненной в виде втулок, установленных на концах указанных плеч, в которые вставлены штыри весовой платформы [2]

Принципиально данные весы по схеме нагружения весовых опор дают возможность компенсировать влияние крутящего момента, вызванного смещением взвешиваемого груза в поперечном направлении, а также погрешностей, связанных с прогибом весовой платформы под нагрузкой. Однако высокая точность весов может быть достигнута только за счет их тщательной сборки, так как силовоспринимающая конструкция параллельные весовые опоры и основание не является замкнутой. Замыкающим верхним звеном является весовая платформа, которая в ходе эксплуатации может неоднократно сниматься с весов. После каждого снятия весовой платформы весы требуется настраивать заново. Кроме того, трудно достичь взаимозаменяемости узлов в предложенных весах, так как необходимо с высокой точностью изготовить и посадочные штыри на платформе, и посадочные отверстия в силовых плечах. В данной схеме весов практически невозможно иметь идентичные упругие характеристики двух параллельных весовых опор, так как каждую опору придется изготавливать самостоятельно. Все это снижает точность взвешивания и усложняет пользование весами.

Целью изобретения является создание электронных тензовесов с повышенной точностью взвешивания, сохраняющих повышенную точность в течение всего срока эксплуатации и не требующих выполнения юстировочных операций при замене одной весовой платформы на другую и регламентных операций по обслуживанию весов.

Другой целью изобретения является упрощение настройки весов при их изготовлении.

Цель достигается тем, что известные электронные тензовесы, содержащие весовую платформу с узлами крепления, основание и две весовые опоры, каждая из которых имеет верхнее и нижнее силовые плечи и датчик силы между ними в виде параллелограммного упругого элемента с тензорезисторами, при этом весовые опоры установлены на основании по встречно-параллельной схеме, а нижние силовые плечи весовых опор соединены между собой жесткой связью, снабжены двумя параллельными продольными силовыми балками, соединяющими попарно верхние и нижние силовые плечи весовых опор с образованием жесткой силоизмерительной рамки, продольные оси силовых балок которой размещены в вертикальной плоскости симметрии параллелограммных упругих элементов, при этом нижняя продольная силовая балка соединена с основанием с помощью двух взаимно перпендикулярных опорных элементов, размещенных на ее противоположных концах, а узлы крепления весовой платформы размещены на концевых участках верхней продольной силовой балки, примыкающих к весовым опорам.

Опорные элементы могут быть выполнены в виде горизонтального шарнира, перпендикулярного продольной оси балки, и концевой опоры, связанной с основанием с возможностью продольного перемещения и поворота.

Кроме того, узлы крепления весовой платформы могут быть снабжены шарнирами с осями, перпендикулярными верхней продольной силовой балке.

Сущность изобретения заключается в том, что внутри весов образован жесткий замкнутый весоизмерительный контур, включающий две параллельные весовые опоры и две параллельные продольные силовые балки, соединенные с верхними и нижними силовыми плечами весовых опор, а элементы крепления весовой платформы размещены на концевых участках верхней продольной силовой балки, примыкающих к весовым опорам. В результате на весовые опоры передаются только усилия от веса предмета на весовой платформе, но не передаются продольные деформации весовой платформы.

Размещение продольных силовых балок в плоскости вертикальной симметрии параллелограммных упругих элементов повышает точность взвешивания, так как снижаются погрешности, связанные с несимметрией нагружения в поперечном направлении (перпендикулярном силовым балкам).

Весовые опоры можно изготавливать в блоке попарно с доведением их в составе блока до окончательных размеров. В результате получаются две весовые опоры с идентичными геометрическими характеристиками, что гарантирует совпадение их упругих характеристик.

Узлы соединения весовых опор с продольными силовыми балками при размещении балок между опорами не нагружают весовые опоры паразитными усилиями, что повышает точность взвешивания.

Выполнение весоизмерительного контура в виде замкнутой жесткой конструкции позволяет произвести его юстировку непосредственно при изготовлении и исключает юстировку в составе весов.

Выполнение силовой конструкции в виде балок снижает материалоемкость весов, так как для получения жесткой конструкции не требуется массивного основания.

При установке весов на неплоской поверхности возможен перекос основания. Для развязки жесткой силоизмерительной рамки от основания и уменьшения погрешности установки весов нижняя продольная силовая балка силоизмерительной рамки соединена с основанием с помощью двух взаимно перпендикулярных опорных элементов, размещенных на ее противоположных концах. При этом один из опорных элементов является фиксатором продольного положения силоизмерительной рамки и выполнен в виде горизонтального шарнира, перпендикулярного продольной оси балки, а другой опорный элемент выполнен в виде концевой опоры, связанной с основанием тензовесов с возможностью продольного перемещения и поворота, благодаря которым на силоизмерительную рамку не передаются деформации основания, что позволяет значительно снизить его жесткость и массу.

Кроме того, крепление силоизмерительной рамки к основанию и весовой платформе осуществляется вблизи весовых опор, что уменьшает изгибную деформацию силовых балочек параллелограммных упругих элементов в плоскости силоизмерительной рамки, что в свою очередь повышает точность измерения и позволяет уменьшить массу продольных силовых балок жесткой силоизмерительной рамки, работающих только на кручение.

На фиг. 1 изображены предлагаемые электронные тензовесы, общий вид; на фиг. 2 разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 приведена конструкция одной из весовых опор; на фиг.4 сечение Б-Б на фиг.1; на фиг.5 показана схема подключения тензорезисторов измерительной балочки весовой опоры; на фиг.6 блок-схема обработки результатов измерений.

Электронные тензовесы выполнены в виде весоизмерительного модуля 1, снабженного сменными лотками 2 для различных взвешиваемых грузов.

Весоизмерительный модуль 1 состоит из корпуса 3 с крышкой 4. Внутри корпуса 3 установлено весоизмерительное устройство, состоящее из основания 5, на котором смонтирована на двух взаимно-перпендикулярных опорных элементах 6, 7 вертикально расположенная жесткая силоизмерительная рамка, состоящая из двух продольных силовых балок 8, 9 и двух поперечных весовых опор 10, 11. Продольная силовая балка 8 выполнена в виде металлической трубки 12, на концах которой закреплены с помощью клея сухари 13, 14 с консолями 15, при этом в консоли 15 сухаря 13 выполнено осевое резьбовое отверстие 16 под опорный элемент 6, а в сухаре 14 радиальное отверстие под опорный элемент 7. Элемент 6 выполнен в виде концевой опоры, установленной в отверстии основания 5 с возможностью продольного перемещения и поворота, а опорный элемент 7 выполнен в виде горизонтального шарнира, перпендикулярного продольной оси балки 8. Продольная силовая балка 9 выполнена аналогично продольной силовой балке 8 и состоит из металлической трубки 12 и сухарей 17, 18 с консолями 15. На сухаре 18 (см. фиг.4) выполнены два параллельных выступа 19, образующие элемент типа "вилка", а на сухаре 17 с помощью болта 20 (см. фиг.2) закреплена скоба 21 (элемент "ухо"). На скобе 21 и выступах 19 сухаря 18 с помощью болтов 22, 23 смонтирована весовая платформа 24, на нижней поверхности которой закреплены ответные элементы типа "вилка" и "ухо", образованные уголками 25. Обе весовые опоры выполнены одинаково с параллелограммными упругими элементами. Каждая опора состоит из верхнего подвижного 26 и нижнего неподвижного 27 силовых плеч в виде уголков, соединенных между cобой двумя параллельными силовыми балочками 28 одинаковой длины с утоненными концами 29, и расположенной между ними третьей (измерительной) балочки 30. На утоненных участках 31 измерительной балочки 30 расположены попарно тензорезисторы 32-35, соединенные в мост Уинстона, как показано на фиг.6, который одной своей диагональю подключен к источнику стабилизированного питания U_п, а другая диагональ является измерительной. Продольные оси всех балочек расположены перпендикулярно прикладываемой силе. При этом силовые плечи 26, 27 и силовые балочки 28 изготовлены из одного куска металла, чем обеспечивается идеальная моментная заделка утоненных концов 29 силовых балочек 28. Измерительная балочка 30 изготовлена из монокристаллического кремния с кристаллографической ориентацией [100] с диффузионными тензорезисторами 32-35, сформированными на ее утоненных участках 31. Измерительная балочка 30 вклеена в пазы подвижного 26 и неподвижного 27 силовых плеч через электроизоляционные прокладки 36. В силовых плечах 26, 27 выполнены отверстия 37 под консоли 15 сухарей продольных силовых балок 8, 9, и силовые плечи 26, 27 дополнительно соединены с сухарями 17, 18 и 13, 14 с помощью винтов 38, вставленных в отверстия 39 силовых плеч 26, 27.

Основание 5 состоит из двух кронштейнов 40, 41, соединенных между собой с помощью продольного П-образного элемента 42, и изготовлено из листовой стали.

На весовую платформу 24 устанавливаются сменные лотки 2 для различных взвешиваемых грузов.

Кроме того, весы содержат электронный блок 43, включающий два входных усилителя 44, 45, сумматор 46 и блок 47 цифровой индикации. Выходы мостов измерительных балочек 30 (см. фиг.6) подключены через входные усилители 44, 45 к входам сумматора 46, выход которого соединен с входом блока 47 цифровой индикации в виде цифрового вольтметра.

Весы работают следующим образом. При нагружении весов силой Р, приложенной в центре весовой платформы 24, верхние силовые плечи 26 силовых опор 10, 11 перемещаются вниз. В каждом параллелограммном упругом элементе происходит поворот всех трех балочек 28, 30 на некоторый угол относительно утоненных участков 29, 31. На тензодатчики 32-35 воздействуют механические напряжения от изгиба, которые пропорциональны прикладываемой силе P/2, причем на парах тензодатчиков 32, 33 и 34, 35 изгибные напряжения имеют разный знак. Тензодатчики 32-35 изменяют свое сопротивление, происходит разбаланс моста Уинстона и на его измерительной диагонали возникает напряжение, линейно зависящее от прикладываемой силы P/2. Сигналы с мостов Уинстона подаются через входные усилители 44, 45 на сумматор 46, где происходит их сложение. При этом сигнал на входе сумматора 46 пропорционален силе Р.

При продольном перемещении силы Р по весовой платформе 24 происходит изменение вертикальных реакций сил, воспринимаемых весовыми опорами 10, 11. Из условия равновесия сумма этих реакций равна силе Р, то есть суммирование сигналов с тензодатчиков 32-35 весовых опор 10, 11 при условии их одинаковых измерительных характеристик обеспечивает продольную нечувствительность весов. Идентичность характеристик весовых опор 10, 11 может быть обеспечена точностью их механической обработки путем подгонки коэффициентов усиления входных усилителей 44, 45, изменением напряжения питания мостов Уинстона, коэффициентов суммирования и т.д.

При смещении силы Р в поперечном направлении (перпендикулярном силовым балкам 8, 9) на каждую весовую опору 10, 11 помимо вертикальной силы воздействует изгибающий момент в плоскости весовой опоры 10, 11. Этот момент вызывает продольные деформации и напряжения растяжения сжатия силовых балочек и, вследствие этого, некоторый поворот концов измерительных балочек 30, их изгиб и возникновение паразитных сигналов на измерительных диагоналях мостов, что приводит к погрешности измерения. Компенсация этой погрешности осуществляется за счет встречно-параллельной установки весовых опор 10, 11, то есть когда каждая весовая опора является как бы зеркальным отображением другой, и жестким соединением их верхних 26 и нижних 27 силовых плеч продольными силовыми балками 8, 9. В этом случае осуществляется поворот верхних плеч 26 весовых опор 10, 11 строго на один и тот же угол, но относительно измерительных балочек 30 в разные стороны. Паразитные сигналы с одной и другой весовых опор 10, 11 получаются разного знака, и при суммировании они друг друга компенсируют. Полная компенсация этой погрешности возможна в случае идентичности механических характеристик обеих весовых опор, что может быть легко обеспечено технологически в защищаемой конструкции тензовесов, так как вся обработка может быть осуществлена в парном блоке.

Защита от перегрузки тензовесов осуществляется за счет гарантированного зазора между подвижным 26 и неподвижным 27 силовыми плечами весовых опор 10, 11.

Перекос основания тензовесов при установке их на неровной поверхности не приводит к деформации силоизмерительной рамки, так как ее опорные элементы выполнены в виде горизонтального шарнира, перпендикулярного продольной оси балки и концевой опоры, связанной с основанием с возможностью продольного перемещения и поворота.

Изобретение может быть изготовлено промышленным способом с использованием современных материалов и технологий, что подтверждает его промышленную применимость.