СПОСОБ ВЗВЕШИВАНИЯ
WEIGHING METHOD

Изобретение относится к весоизмерительной технике и может быть использовано в промышленности для измерения веса объекта как в статике, так и в движении и для его диагностики: определения центровки взвешиваемого объекта или его развесовки. Особенно целесообразно использовать изобретение для взвешивания объектов с большой массой, например железнодорожного транспорта, авиатранспорта и т.п.
Известен способ взвешивания, при котором под действием веса взвешиваемого объекта нагружают точки его опоры, а также формируют электрические сигналы, соответствующие силам, приложенным к точкам опоры объекта (Авт. св. СССР №393608, 1973 г., МПК-3 G01G 5/04).
Недостатками указанного способа являются:
- ограниченный динамический диапазон взвешивания при использовании одного типа индуктивного преобразователя;
- низкая точность взвешивания из-за использования общей сообщающейся гидравлической системы, в результате чего имеет факт взаимного влияния гидроопор;
- низкие точность и надежность взвешивания из-за необходимости использования подвижных элементов, подвергающихся износу;
- низкая надежность из-за использования большого количества гидропроводов, приводящих к утечке жидкости;
- высокая инерционность из-за использования индукцинных преобразователей, что накладывает ограничения по скорости при взвешивания движущихся объектов;
- отсутствие возможности диагностики взвешиваемого объекта, в частности определения его центровки или развесовки;
- сложность реализации из-за относительно больших габаритов весоизмерительного оборудования и материальных затрат.
Ближайшим аналогом предлагаемого изобретения, принятым за прототип, является способ взвешивания, при котором весом взвешиваемого объекта создают силы в точках его опоры, а также формируют электрические сигналы, соответствующие силам, в точках опоры взвешиваемого объекта (RU 2376559, 20.12,2009 г., G01G 19/04, 2006.01).
Недостатками прототипа являются:
- ограниченный динамический диапазон ввешивания при использовании одного типа весоизмерительных датчиков (без увеличения их числа), зависящий от максимально возможной грузоподъемности весоизмерительных датчиков;
- высокие материальные затраты при реализации способа из-за высокой стоимости весоизмерительных датчиков;
- наличие подвижных элементов конструкции из-за наличия деформации весоизмерительны датчиков, что приводит к износу элементов конструкции и, неизбежно, к снижению точности и надежности реализующего способ взвешивающего устройства;
- накопление усталостных явлений в теле весоизмерительных датчиков, что приводит к их старению и ухудшению технических характеристик, в частности метрологических и, как следствие, к выходу датчиков из строя;
- невозможность применения термоподогрева весоизмерительного датчика из-за его больших размеров, что ограничивает температурный диапазон использования взвешивающего устройства, реализующего способ;
- достаточно большой вес весоизмерительного датчика, а следовательно, и высокая инерционность накладывает существенные ограничения на максимальную скорость объекта при его взвешивании;
- невозможность осуществления поверки взвешивающего устройства, реализующего способ, безгирными методами, в процессе движения взвешиваемого объекта.
Задача изобретения:
- расширение динамического диапазона взвешивания при использовании ограниченного числа весоизмерительных датчиков одного типа путем увеличения предельных значений взвешивания, ограниченных максимально возможной грузоподъемностью весоизмерительных датчиков;
- исключение подвижных элементов конструкции при реализации способа;
- уменьшение геометрических размеров и, следовательно, инерционности взвешивающего устройства, реализующего предлагаемый способ;
- обеспечение возможности использования динамических безгирных методов поверки взвешивающего устройства, реализующего предлагаемый способ.
Технический результат: расширение эксплуатационных возможностей способа взвешивания, повышение точности и надежности взвешивающего устройства, реализующего предлагаемый способ, значительное сокращение стоимости реализации способа взвешивания за счет:
- увеличения динамаческого диапазона взвешивания объектов;
- расширения температурного диапазона взвешивания объектов;
- обеспечения взвешивания при более высокой скорости взвешиваемого объекта;
- обеспечения поверки взвешивающего устройства, реализующего предлагаемый способ, безгирными методами в движении;
- исключения накопления усталостных явлений в датчиках взвешивающего устройства, то есть исключения явления старения.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Предлагается способ взвешивания, при котором весом взвешиваемого объекта создают силы в точках его опоры, а также формируют электрические сигналы, соответствующие силам в точках опоры взвешиваемого объекта. Способ отличается тем, что силой, создаваемой в каждой точке опоры взвешиваемого объекта, осуществляют изменение давления несжимаемой жидкости, размещенной в соответствующем автономном жестком резервуаре, внутри которого измеряют давление жидкости с помощью гидравлического тензопреобразователя, например, монокристалического, при этом площадь, через которую сила оказывает давление на жидкость, выбирают с учетом максимального значения давления, на которое рассчитан гидравлический тензопреобразователь, и с учетом максимально возможной величины веса взвешиваемого объекта и по результатам измерений судят о весе объекта.
Изобретательский уровень подтверждается расширением динамического диапазона взвешиваемых объектов с одновременным снижением сложности и материальных затрат, расширением диапазона максимальных скоростей при взвешивании движущихся объектов, а также с возможностью осуществления термостатирования (особенно, при большом весе взвешиваемого объекта) и возможностью применения безгирных методов поверки взвешивающего устройства в динамике, исключением явления старения датчиков при реализации способа, что является разрешением существующих технических противоречий.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где показан пример реализации взвешивающего устройства, реализующего предлагаемый способ.
Согласно чертежу взвешиваемый объект 1 с измеряемым весом Р расположен на опорах, каждая из которых состоит из жесткого автономного резервуара 2, выполненного, например, в виде металлического цилиндрического стакана с толстыми стенками. Внутри резервуара 2 размещены несжимаемая жидкость 3 и поршень 4, оказывающий давление на жидкость 3 через гибкую герметизирующую прокладку 5. Взвешиваемый объект 1 лежит на противоположных концах поршней 4 так, что на каждый поршень оказывается давление силой, создаваемой весом Pi, где i=(1, 2, … n), n - количество опор взвешиваемого объекта. В стенку резервуара 2 герметично вмонтирован гидравлический тензопреобразователь 6 для измерения давления жидкости 3 внутри резервуара 2. В качестве гидравлического тензопреобразователя 6 предпочтительно использовать монокристалический тензопреобразователь. Выходы гидравлических тензопреобразователей 6 соединены с сумматором 7, выход которого через весовой терминал 8 соединен с регистрирующим устройством 9.
Работа устройства, реализующего предложенный способ, происходит следующим образом. Вес отдельной части Pi веса Р взвешиваемого объекта 1 оказывает через поршень 4 и гибкую прокладку 5 давление силой Fi на несжимаемую жидкость 3, размещенную в автономном жестком резервуаре 2. Это давление воспринимается гидравлическим тензопреобразователем 6, где преобразуется в электричский сигнал Ui. Электричские сигналы со всех гидравлических тензопреобразователей 6 поступают на сумматор 7 и далее - на весовой терминал 8, где происходит преобразование суммарного элекрического сигнала в единицы веса, и результат отражается в регистрирующем устройстве 9, в качестве которого предпочтительно использовать персональный компьютер.
Предложенный способ для своей реализации позволяет исключить дорогостоящие традиционные весоизмерительные датчики прямого преобразования, а использовать простые по своей конструкции резервуары 2 с жидкостью 3 и относительно дешевые монокристалические гидравлические тензопреобразователи. Важной особенностью в этом случае является то, что появляется возможность изменять площадь, через которую сила Fi оказывает давление на жидкость 3 (геометрические размеры резервуара 2 и соответственно поршня 4) в широких пределах, практически не изменяя затрат. При изменении площади, через которую сила Fi оказывает давление на жидкость 3, изменяется возможная величина максимального веса Pi при сохранении неизменным максимального давления в резервуаре 2. Покажем это на примере.
2
Предположим, что площадь S поршня 4, оказывающего давление через гибкую прокладку 5 на жидкость 3, составляет S=10 см, и на эту площадь приходится максимальный вес Pmax=1000 кг. Тогда в резервуаре 2 возникает давление, равное 100 атмосфер:
2
Pmax:S=1000 кг:10 см=100 атм.
2
То есть, имея гидравлический тензопреобразователь 6 на рабочее давление 100 атмосфер, мы имеем возможность взвешивать объекты с максимальным весом на одну опору не более 1000 кг. Предположим, что требуется взвешивать объекты с максимальным весом на опору 5000 кг. Тогда мы имеем возможность, не меняя тип гидравлического тензопреобразователя 6, увеличить только геометриеские размеры резервуара 2 с поршнем 4, то есть увеличить площадь, через которую сила Fi оказывает давление на жидкость 3. Увеличив эту площадь до величины 50 см, мы получаем максимальное давление, равное 1000 атмосфер. Таким образом, мы увеличили грузоподъемность взвешивающего устройства при неизменности типа гидравлического тензопреобразователя 6. Это особенно актуально в случаях, когда максимального значения давления, на которое рассчитан гидравлический тензопреобразователь 6 недостаточно (например, промышленностью не выпускаются) для взвешивания объектов с большим весом.
2
2
Следует отметить, что площадь, через которую сила Fi оказывает давление на жидкость 3, на несколько порядков больше площади рабочего тела гидравлического тензопреобразователя 6 (в частности, монокристалического). Например, для взвешивания железнодорожных объектов эта площадь составляет примерно 250 см, а площадь рабочего тела выпускаемых промышленностью монокристалических гидравлических тензопреобразователей составляет менее 0,25 см. Поэтому перемещение поршня 4 оказывается в 1000 раз меньше деформации рабочего тела гидравлического тензопреобразователя 6, которая составляет величину менее одного микрона.
Практически можно считать что поршень 4 не имеет механических перемещений, влияющих на износ оборудования, а следовательно, и на точность измерений.
Стоимость весоизмерительного датчика, рассчитанного на нагрузку 20 тонн, который используется в железнодорожных весах, составляет несколько десятков тысяч рублей, а стоимость гидравлического тензопреобразователя 6, рассчитанного на такие же нагрузки, вместе с резервуаром с жидкостью составляет несколько единиц тысяч рублей.
Вышеупомянутый весоизмерительный датчик весит несколько килограммов, а вес монокристалического гидравлического тензопреобразователя, рассчитанного на такие же нагрузки (с учетом резервуара с жидкостью, которая, кстати, мгновенно передает давление на гидравлический датчик), составляет несколько десятков граммов. Поэтому инерционность устройства, реализующего предложенный способ, получается не менее чем в 100 раз меньше, что позволяет обеспечить взвешивание на скоростях на порядок больших, чем максимальные скорости при использовании традиционных весоизмерительных датчиков.
Малые размеры монокристалического гидравлического тензопреобразователя дают возможность осуществления его подогрева (термостатирования), что практически не ограничивает температурный диапазон эксплуатации взвешивающего устройства, реализующего предложенный способ.
Кроме того, одной из важнейших особенностей предлагаемого способа, при использовании именно монокристалических гидравлических тензопреобразователей, является то, что метрологические характеристики и, в частности, величина погрешности весового оборудования, реализующего предложенный способ, не меняются со временем, а остаются постоянными на весь период эксплуатации оборудования в силу того, что монокристал, например, рубина не меняет своих технических характеристик в течение очень длительного времени (порядка 400 лет). Это позволяет увеличить средний срок эксплуатации и существенно увеличить гарантийный срок весового оборудования, реализующего предложенный способ и, одновременно, получить существенное повышение достоверности результатов взвешивания.