ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УСИЛИЙ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в устройствах для ограничения грузоподъемности подъемно-транспортных машин, а также в любом другом оборудовании, где требуется измерение приложенного усилия с повышенной защитой от воздействия окружающей среды.
Известно устройство для измерения усилий, содержащее корпус, выполненный в виде замкнутой прямоугольной рамы, и две крышки, защищающие полость корпуса от внешних воздействий. Внутри рамы размещен датчик продольных усилий, включающий упругую силовоспринимающую балочку с тензорезисторами (см. свидетельство РФ на полезную модель №18171, В 66 С 23/88, 27.05.2001). В данном устройстве не предусмотрена компенсация изменения давления внутри корпуса, вызванного изменением температуры или давления окружающей среды, а введение специальных устройств для вентиляции корпуса не обеспечивает предохранение от попадания внутрь корпуса вредных паров и влаги.
Известен также тензодатчик для измерения усилий, содержащий герметичный корпус, состоящий из двух соединенных между собой чашек, каждая из которых имеет центральное отверстие, расположенный вдоль оси корпуса силовоспринимающий элемент в виде стержня, имеющего два концевых участка, пропущенных через центральные отверстия чашек имеющего два концевых участка, пропущенных через центральные отверстия чашек и герметично соединенных с ними, и расположенный между ними центральный участок, на котором закреплены тензорезисторы, и гермовывод для подключения датчика к регистрирующей аппаратуре. Датчик снабжен трубкой для продувки полости корпуса очищенным газом с последующей ее герметизацией (см. патент США №5076375, 177/45, G 01 G 23/18, G 01 L 1/22, 31.12.1991). Данное устройство представляет собой автономную ячейку, в корпусе которой размещены
силоизмерительный элемент и блок обработки сигналов с тензорезисторов, что обеспечивает одновременную защиту силоизмерительного элемента и блока обработки сигналов с тензорезисторов. Однако при эксплуатации датчика возможно нарушение электрической связи в соединениях тензорезисторов с блоком обработки сигналов и блока обработки сигналов с гермовыводом, в условиях длительного воздействия вибрации и ударов. Кроме того, в данном устройстве отсутствует средство вентиляции корпуса, поэтому при изменении температуры внешней среды давление в корпусе будет изменяться. В частности, при понижении температуры давление в полости корпуса будет ниже атмосферного давления и при наличии любой, даже маленькой негерметичности сварного шва, в полость корпуса будет подсасываться внешний воздух, что способствует попаданию внешней среды внутрь корпуса, и соответственно в корпус попадают вредные пары и влага, что приведет к ухудшению точности измерения усилий и в предельном случае - к разрушению тензодатчика.
Наиболее близким к заявленной полезной модели по совокупности существенных признаков является датчик для измерения усилий, содержащий герметичный корпус, имеющий цилиндрический кожух и два торцевых элемента, один из которых выполнен в виде кольцевой гофрированной мембраны, упругий силовоспринимающий элемент с тензорезисторами, воспринимающими продольные и поперечные деформации, установленный внутри корпуса, и гермовывод для подключения к регистрирующей аппаратуре. В корпусе имеются две камеры: герметичная и расширительная, соединенные между собой каналом. Полость корпуса заполнена жидким гидрофобным диэлектриком. В герметичной камере вертикально установлен упругий элемент с тензорезисторами, а расширительная камера соединена каналом с атмосферой, в котором установлено многощелевое бесконтактное уплотнение. В нижней части корпуса выполнены технологические отверстия, закрытые резьбовыми пробками, служащие для заливки жидкого гидрофобного диэлектрика (см. авторское свидетельство СССР №556354, G 01 L 1/22, 05.05.1977). Вследствие того, что камеры датчика через
жидкость соединены с атмосферой, давление внутри датчика соответствует атмосферному давлению при любых его случайных изменениях, а диэлектрическая жидкость обеспечивает хорошую защиту тензорезисторов от воздействия внешней среды. Однако при эксплуатации датчика в условиях низких температур возможно перекрытие канала, соединяющего расширительную камеру с атмосферой, из-за обледенения многощелевого бесконтактного уплотнения, что приведет к снижению точности измерения усилий. Данный датчик можно использовать только при вертикальном направлении приложения нагрузки, что сужает область его применения, и при эксплуатации датчика приходится принимать меры, исключающие подтекание жидкости из его корпуса.
Задача, на решение которой направлена настоящая полезная модель, заключается в создании датчика для измерения усилий, имеющего повышенную защиту от воздействия внешней среды и который можно использовать при различной пространственной ориентации. Другой задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является создание датчика для измерения усилий, имеющего повышенную стойкость к воздействию вибраций. Дополнительной задачей полезной модели является повышение помехозащищенности датчика. Еще одной задачей полезной модели является снижение расхода гидрофобного диэлектрика.
Поставленные технические задачи достигаются следующим образом. В датчике для измерения усилий, содержащем герметичный корпус, имеющий цилиндрический кожух и два торцевых элемента, по меньшей мере, один из которых выполнен в виде кольцевой гофрированной мембраны, упругий силовоспринимающий элемент с тензорезисторами, воспринимающими продольные и поперечные деформации, установленный внутри корпуса, и гермовывод для подключения к регистрирующей аппаратуре, полость корпуса заполнена диэлектрическим морозостойким герметизирующим гелем.
Кроме того, датчик снабжен установленным внутри полости корпуса блоком обработки сигналов с тензорезисторов.
Предпочтительно, датчик снабжен вставкой из пористого полимерного материала, установленной в свободном объеме полости корпуса с зазором относительно силовоспринимающего элемента, при этом внешняя поверхность вставки примыкает к внутренней поверхности цилиндрического кожуха, а внутренняя поверхность вставки повторяет контуры силовоспринимающего элемента.
Предпочтительно, в датчике оба торцевых элемента выполнены в виде кольцевых гофрированных мембран.
Предпочтительно, в датчике силовоспринимающий элемент выполнен в виде трехступенчатого цилиндрического стержня, имеющего два концевых участка, пропущенных через центральные отверстия кольцевых гофрированных мембран и герметично соединенных с ними, и расположенный между ними центральный участок меньшего диаметра.
Предпочтительно, тензодатчики, воспринимающие продольные деформации стержня, закреплены на поверхности центрального участка стержня, а тензодатчики, воспринимающие поперечные усилия, закреплены на одном или на обоих концевых участках силовоспринимающего элемента.
В основу предложенного датчика положено известное свойство герметизирующих диэлектрических гелей сохранять после загустевания принятую форму, сохраняя при этом податливость при приложении внешней нагрузки. Герметизирующий диэлектрический гель, заполняющий полость герметичного корпуса, не препятствует деформации корпуса (перемещение мембран при воздействии измеряемой нагрузки), а при изменении температуры окружающей среды объемное расширение геля соответствует объемному расширению жидкости. В силу чего изменение объема геля минимально и полностью компенсируется упругостью гофрированных мембран. При этом давление в полости корпуса всегда равно давлению окружающей среды, что
исключает возможность подсоса окружающей среды или выдавливание геля из корпуса, позволяя сократить количество осмотров датчика при его эксплуатации, что важно при эксплуатации датчика на открытом воздухе. Кроме того, заполнение корпуса герметизирующим диэлектрическим гелем фиксирует пространственное положение электрических проводов, соединяющих между собой тензорезисторы, блок обработки сигналов с тензодатчиков, гермовывод и любые другие электронные блоки, установленные внутри корпуса на плате, или вне ее, тем самым снижая инерционные нагрузки на места присоединения электрических проводов, вызванные вибрацией, что повышает вибростойкость датчика. Использование герметизирующего диэлектрического геля исключает вредное воздействие на окружающую среду и на обслуживающий персонал, даже если произойдет непреднамеренное разрушение корпуса тензодатчика. При этом эксплуатация датчика возможна при любой ориентации его в пространстве.
Снабжение датчика установленным внутри полости корпуса и подключенным к гермовыводу блоком обработки сигналов с тензорезисторов повышает помехозащищенность датчика. При этом сам датчик представляет собой автономную ячейку, в корпусе которой размещены упругий элемент с тензорезисторами и блок обработки сигнала, что обеспечивает одновременную защиту их от воздействия внешней среды. При этом также улучшается теплоотвод от блока обработки сигнала с тензорезисторов за счет повышенной теплопроводности и теплоемкости герметизирующего геля по сравнению с газом и увеличенной поверхности рассеивания тепла во внешнюю среду.
Установка внутри полости корпуса блока обработки сигналов с тензорезисторов дает возможность изготовить моноблочный датчик для измерения усилий с минимальным расстоянием между тензорезисторами и блоком обработки сигналов, уменьшив тем самым влияние внешних помех на сигнал, снимаемый с тензодатчиков. При этом обеспечивается надежная защита от внешних условий тензорезисторов, блока обработки сигналов и соединительных проводов.
Снабжение датчика вставкой из пористого полимерного материала, установленной в свободном объеме полости корпуса с зазором относительно силовоспринимающего элемента, при этом внешняя поверхность вставки примыкает к внутренней поверхности цилиндрического кожуха, а внутренняя - повторяет контуры силовоспринимающего элемента, позволяет уменьшить расход герметизирующего геля и соответственно уменьшить стоимость датчика.
Выполнение обоих торцевых элементов в виде кольцевых гофрированных мембран делает датчик более технологичным.
Выполнение силовоспринимающего элемента в виде трехступенчатого цилиндрического стержня, имеющего два концевых участка, пропущенных через центральные отверстия кольцевых гофрированных мембран и герметично соединенных с ними, и расположенный между ними центральный участок меньшего диаметра, дает возможность использовать датчик для измерения как сжимающих, так и растягивающих усилий при любой его пространственной ориентации.
Датчик, в котором тензодатчики, воспринимающие продольные деформации стержня, закреплены на поверхности центрального участка стержня, а тензодатчики, воспринимающие поперечные усилия, закреплены на одном или на обоих концевых участках силовоспринимающего элемента, обеспечивает повышенную точность измерения усилий, так как расположение тензодатчиков, воспринимающих поперечные усилия, на одном или на обоих концевых участках силовоспринимающего элемента позволяет оптимизировать размеры тонкой центральной части силовоспринимающего элемента, исходя из повышенной точности измерения продольных деформаций, а размеры концевых участков - исходя из технологических требований к креплению тензодатчиков поперечных деформаций.
На фиг.1 изображен общий вид датчика для измерения усилий; на фиг.2 - мембрана в разрезе.
Датчик для измерения усилий содержит герметичный корпус 1, имеющий цилиндрический кожух 2 и два торцевых элемента 3 и 4, каждый из которых выполнен в виде гофрированной кольцевой мембраны 5 с центральным отверстием 6. Вдоль оси корпуса расположен силовоспринимающий элемент 7 в виде трехступенчатого стержня, имеющего два концевых участка 8 и 9 с резьбовыми наконечниками 10, пропущенными через центральные отверстия 6 торцевых элементов 3 и 4, и расположенный между ними центральный участок 11 меньшего диаметра. Торцевые элементы 3 и 4 закреплены винтами 12 по периметру на торцах кожуха 2, а по контуру внутреннего отверстия 6 - гайками 13 на концевых участках 8 и 9 силовоспринимающего элемента. Зоны присоединения торцевых элементов 3 и 4 герметизированы любым известным способом с использованием любого приемлемого герметика (на чертеже не показано) так, что внутри корпуса образуется герметичная полость. На тонком центральном участке 11 силовоспринимающего элемента закреплены тензорезисторы 14, измеряющие продольную деформацию центрального участка. На концевых участках 8 и 9 силовоспринимающего элемента закреплены тензорезисторы 15, измеряющие поперечную деформацию концевых участков силовоспринимающего элемента. Тензорезисторы 15 могут быть закреплены на обоих концевых участках 8 и 9, как это показано на фиг.1, но для специалиста должно быть понятно, что тензорезисторы 15 могут быть закреплены на каком-либо одном концевом участке 8 или 9. Тензорезисторы на фиг.1 показаны условно без соблюдения масштаба, и следует понимать, что в реальной конструкции размеры тензорезисторов выбираются в соответствии с общепринятыми рекомендациями. Тензорезисторы могут крепиться непосредственно на цилиндрической поверхности участков 8, 9 и 11, но предпочтительно выполнить на указанных участках в зоне крепления тензорезисторов лыски 16 и 17.
Датчик имеет блок 18 обработки сигналов с тензодатчиков, плата 19 которого закреплена внутри полости корпуса на одном или на обоих из концевых
участков 8 и 9 силовоспринимающего элемента. При закреплении платы 18 на обоих концевых участках 8 и 9, к одному концевому участку, например к концевому участку 9, плата крепится жестко, а к другому концевому участку - с возможностью продольного перемещения. Тензорезисторы 14 и 15 присоединены к блоку 18 обработки сигналов гибкими проводами 20 (на чертеже показано условно). В цилиндрическом кожухе 2 выполнено отверстие для гермовывода в виде электроразъема 21 для подключения датчика к регистрирующей аппаратуре. Блок 18 обработки сигналов с тензорезисторов соединен гибкими проводами 22 (на чертеже показано условно) с контактами электроразъема 21, герметично закрепленного на цилиндрическом кожухе винтами 23.
Схема соединения тензорезисторов 14 и 15 и конструкция блока 18 обработки сигнала с тензорезисторов не является предметом полезной модели. В частности, тензорезисторы могут быть соединены между собой так, как это показано в патенте США №5076375. Блок 18 обработки сигналов с тензорезисторов может включать в себя операционные усилители, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор, запоминающее устройство, переключатель и другие электронные компоненты. Реализация блока 18 обработки сигналов с тензорезисторов не представляет труда для специалистов, так как различные блоки обработки сигналов с тензорезисторов широко описаны в технической литературе, например, в указанном патенте США №5076375.
Датчик снабжен вставкой 24 из пористого полимерного материала, например, из резины, установленной в свободном объеме полости корпуса 1 с зазором относительно силовоспринимающего элемента 7. Внешняя поверхность вставки 24 примыкает к кожуху 2, а внутренняя поверхность вставки повторяет контуры силовоспринимающего элемента. Объем свободного пространства, занимаемого вставкой 24, ограничивается размерами силовоспринимающего элемента, либо размерами силовоспринимающего элемента и габаритами блока обработки сигналов с тензорезисторов.
Полость корпуса 1 заполнена герметизирующим диэлектрическим гелем «8882» фирмы 3М США (улучшенной версии геля «4442»), например, до закрепления электроразъема 21 на оболочке корпуса.
Гелевый заливочный материал содержит две части:
Часть А: Растительное масло, полибутадиен, эпоксидированное растительное масло;
Часть В: Гидроочищенные нафтеновые дистилляты, полибутадиеновая смола, дидециловый третичный амин.
В заявке не рассматривается технология заполнения корпуса гелем, так как она достаточно широко известна. При этом возможно использование, как метода заливки, так и заполнения под давлением (компрессионное). Герметизирующий диэлектрический гель «8882» полностью отвечает российским климатическим условиям применения и в случае необходимости может быть удален с компонентов датчика.
К выступающим за пределы мембран резьбовым наконечникам 10 присоединены проушины 25 либо другие элементы для соединения датчика с тросовой подвеской или с другими силопередающими элементами грузоподъемного крана.
Измеряемое усилие прикладывается к проушинам 25 и передается на силовоспринимающий элемент 7, который под действием усилия испытывает продольные и поперечные деформации. Упругие продольные деформации измеряются тензорезисторами 14, а упругие поперечные деформации - тензорезисторами 15. Сигналы с тензорезисторов 14 и 15 поступают на блок 18 обработки сигналов. Обработанный сигнал с блока 18 через электроразъем 21 подается на внешнюю регистрирующую аппаратуру.
При изменении температуры внешней среды герметизирующий диэлектрический гель, заполняющий полость герметичного корпуса, изменяет свой объем на величину, пропорциональную коэффициенту объемного расширения. Изменение объема геля компенсируется упругостью
гофрированных мембран, при этом давление в полости корпуса всегда равно давлению окружающей среды.
Заявляемая полезная модель может быть изготовлена промышленным способом с использованием известных материалов и технологий. Специалисту в данной области понятно, что могут быть различные модификации предложенного датчика без отхода от духа и рамок настоящей полезной модели, определяемых объемом притязаний, изложенных в формуле полезной модели.