УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАССЫ ТЕЛ БЕЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ

Модель относится к весоизмерительной технике и может быть использована для определения массы тел, в том числе вне поля гравитации (железнодорожных вагонов, космических аппаратов, объектов на борту космических аппаратов, в крановых, судовых, торговых, технических весах и других приложениях).
Широко известен обычный способ взвешивания, когда измеряемое тело кладут на весы (или закрепляют на опоре или подвесе) и измеряют, насколько деформируется упругий элемент весов в поле гравитации (RU 2300084 С1, 2007.05.27).
Измерение таким способом зависит от поля тяготения, требует контроля калибровки начального положения весов. Кроме того, измерения очень легких и очень тяжелых грузов имеют большие абсолютные погрешности. Искажения в измерения вносит трение и сила Архимеда в воздухе. Колебания, возникающие при погрузке тела на весы, задерживают процесс измерений. Высокоточные измерения требуют сложной и тонкой конструкции весов.
Другим близким аналогом является способ взвешивания, в котором при колебаниях груза на весах измеряется максимальная амплитуда отклонений в разные стороны для последующего вычисления среднего положения груза на весах (RU 2308678 С1, 2007.10.20).
Этот способ непринципиально отличается от обычного взвешивания и имеет те же недостатки.
Известен способ определения массы, когда измеряемое тело закрепляют на вращающейся конструкции через упругий элемент и измеряют, насколько тело растянет упругий элемент (вдоль радиуса) при вращении с заданной скоростью (RU 98104288 А, 2000.01.10).
Этот способ не всегда удобен для практического применения, требует сложной конструкции измерительно прибора, требует заведомо большого времени для измерений (время разгона), а колебания также могут мешать измерениям.
Известен также способ определения динамических параметров удара, характеризующих силу с помощью измерения ускорения спортивной груши при ударе по ней спортсменом во время тренировки. Далее предлагается оценивать силу удара спортсмена для контроля уровня его спортивной подготовки (RU 2322279 С1, 2008.04.20).
Этот способ тоже не является часто употребимым из-за сложности конструкции и небольшой востребованности подобного рода измерений в области спорта, единственной указанной в патенте области применения.
Известен и способ определения массы космических аппаратов (спутников), когда с борта спутника выбрасывается тело известной массы с известной скоростью и сравнивается скорость движения спутника до и после такого отталкивания (RU 2301181 С2, 2007.06.20).
Этот способ неприменим для определения массы спутника внешними средствами и требует, чтобы действия проводились изнутри спутника. Кроме того, обладатель спутника обычно заведомо обладает информацией о массе спутника.
Наиболее близким к заявленной модели по максимальному количеству сходных признаков является способ, сущность которого заключается в измерении ускорений груза при взвешивании грузов на промышленных весах с помощью акселерометров (RU 93027583 А, 1995.10.20). Однако, в этом способе колебания не являются основным способом измерения массы. Кроме того, в указанном способе предлагается поднимать груз посредством измерительных датчиков, что требует большой прочности, а значит, делает измерения неточными.
Задача, стоящая перед изобретателем, заключается в создании простого и быстрого устройства для определения массы тел, показания которого не зависят от поля тяготения, на показания не влияли бы силы трения и Архимеда, которому не
требовалась бы калибровка, и который бы обеспечивал высокую точность при взвешивании очень тяжелых и очень легких тел.
Устройство основано на измерении динамических параметров воздействия тела на упругий элемент или другое тело, и имеет следующие модификации.
1. Измеряют параметры собственных колебаний тела на жестко закрепленном упругом элементе. Измеряют:
А. амплитуду собственных колебаний и, одновременно, максимальную скорость тела при колебаниях на жестко закрепленном упругом элементе.
или
Б. период колебаний на жестко закрепленном упругом элементе
или
В. одновременно силу, действующую со стороны упругого элемента и ускорение тела
2. В случае отсутствия возможности закрепить измеряемое тело на упругом элементе, измеряют параметры взаимодействия тела с жестко закрепленным упругим элементом, наталкивая тело на упругий элемент. Измеряют:
А. максимальное сжатие и скорость в момент касания или отрыва тела
или
Б. продолжительность соприкосновения тела с упругим элементом, равное полупериоду колебаний
или
В. одновременно силу, действующую со стороны упругого элемента и ускорение тела
3. В случае отсутствия возможности жестко закрепить упругий элемент на неподвижном теле, элемент закрепляют на подвижном теле известной массы и сталкивают с ним измеряемое тело так, чтобы столкновение тел происходило через упругий элемент. Упругий элемент предотвратит неупругое (необратимое) взаимодействие тел, что существенно для точности измерений и целостности тел. Измеряют скорости до и после столкновения.
Зная, кроме того, жесткость упругого элемента, легко вычислить массу тела. Зависимость жесткости элемента от температуры можно либо измерять и учитывать, либо периодически калибровать.
4. С помощью механических приводов разгоняют и тормозят тело. Одновременно измеряют силу, действующую на тело со стороны приводов (датчиком силы, установленным в приводы, например, тензодатчиком) и ускорение тела.
Зная силу и ускорение (измеренные одновременно мгновенные или средние значения), легко вычислить массу. Проводя серию измерений во время одного разгона-торможения, можно применять любые методики обработки данных, включая усреднение и удаление сомнительных значений.
Для избежания резких воздействий на датчик силы, на приводах можно использовать рессоры (упругие элементы). Методика и результат вычисления массы в этом случае не изменятся.
Модификации устройства могут использоваться в любом сочетании для обеспечения высокой точности и надежности.
При наталкивании важно обеспечить, чтобы во время контакта тела с упругим элементом внешнее воздействие отсутствовало.
Преимущества: при взвешивании массивных тел не требуется измерение очень большой силы тяжести. Устройство может использоваться при измерениях в
условиях невесомости и в любом поле гравитации без дополнительных калибровок, в том числе при проведении научных и технических работ на борту космических аппаратов или оценки массы самих спутников. При изнашивании упругого элемента, он может быть легко заменен.
Дополнительные преимущества модификаций по п.1-Б, 2-Б и 4: трение не влияет на период колебаний. Не требуется калибровка. Требуется датчик только одной физической величины (времени), что существенно упрощает конструкцию устройства.
Устройство датчика для измерения периода может быть простым, и вместе с тем, очень точным. Например, можно использовать датчик, в котором при касании с измеряемым телом замыкается электрическая цепь. Или можно использовать оптические или любые другие датчики дистанционноно определения координат тела.
Упругие элементы могут заменяться для измерения тел существенно разной массы элементами подходящей жесткости.
По сравнению с обычным взвешиванием, в модификациях по п.1-В, 2-В и 4 уменьшение абсолютной величины измеряемой силы позволит использовать менее прочные, и поэтому более точные датчики силы. Такие датчики имеют меньшую относительную погрешность.
Устройство для определения массы тел без использования силы тяжести.
Примеры.
1. Определение массы космических аппаратов на орбите.
Пробный космический аппарат (далее - пробный спутник) с закрепленным снаружи упругим элементом сталкивают с измеряемым спутником. При этом измеряют относительную скорость спутников до и после столкновения (например, радаром допплеровского эффекта). Зная, кроме этого, массу пробного спутника, можно вычислить массу измеряемого спутника.
Столкновение можно планировать так, чтобы новая орбита измеряемого спутника была устойчивой и слабо отличалась от первоначальной. Кроме того, измеряемый спутник обычно сам сможет корректировать свою орбиту после столкновения.
Можно использовать и дополнительную информацию: координаты (и скорости), измеренные с помощью радионавигационных систем, и параметры сжатия упругого элемента. Измерить координаты измеряемого спутника с борта пробного спутника можно с помощью оптических (лазерных) систем методом триангуляции.
Упругий элемент должен быть оборудован скользящей по поверхности измеряемого спутника конструкцией (например, легкие шаровидные ролики). Это минимизирует вращение обоих спутников после столкновения. Однако, из-за сложной формы и распределения масс в измеряемом спутнике вращение все равно может возникнуть. В этом случае измерить вращение пробного спутника можно простым гироскопом, но следует измерять вращение и измеряемого спутника оптическими или инфракрасными датчиками или любыми другими приспособлениями. Кроме уточнения массы измеряемого спутника, это может дать информацию о его центре тяжести.
2. Определение массы железнодорожных вагонов.
Устройство также подходит для любых грузов, закрепляемых на платформах на колесах.
Измерять массу простым скатыванием вагонов «под горку», накатыванием «в горку» или даже колебаниями на участке рельсов, которые идут сначала вниз, а потом вверх - не представляется реальным потому, что основные измеряемые параметры в этом случае не зависят от массы: в уравнении баланса максимальной кинетической и потенциальной энергий масса сокращается. Поэтому необходимо использование, например, упругих амортизаторов, потенциальная энергия сжатия которых не зависит от массы вагона.
1. Динамическое измерение массы вагонов мягкими амортизаторами (амплитудная модификация).
На любом участке рельсов, кроме поворотов, устанавливают упор с упругими амортизаторами и радар для измерения скорости вагона. Накатывают вагон на упор на небольшой скорости, чтобы он оттолкнулся и откатился обратно. Измеряют замедление вагона до и после контакта с амортизатором (определение трения) и скорость непосредственно перед контактом. Измеряют максимальное сжатие амортизатора.
Зная максимальное сжатие амортизатора, его жесткость и скорость вагона перед контактом, вычисляют массу вагона. Эту массу и данные о замедлении вагона до или после контакта с упругим элементом используют для вычисления поправки на трение и вычисляют массу еще раз с учетом трения.
Расчет момента инерции колес и осей вагона можно провести один раз для всех типов шасси вагонов по описаниям стандартов изготовления шасси. Зная скорость вагона, радиус колес и момент инерции колес, можно учесть их влияние без дополнительных технических средств.
Распределения массы в самом амортизаторе можно измерить один раз и учитывать в каждом измерении без дополнительных технических средств.
Преимущества: нет необходимости создавать наклон путей или выбирать участок с подходящим наклоном. Нет неудобств, связанных с отцепкой вагона на наклонном пути. Модификация не предусматривает бетонного основания под рельсами, поэтому измерительная станция может быть перемещаемой. Изношенные амортизаторы могут быть легко заменены.
Недостатки: методы точного измерения амплитуды могут быть сложны. Требуется калибровка начальной длины амортизатора. Необходимо убедиться, что выбранный для измерений участок путей достаточно горизонтален или учитывать наклон.
2. Динамическое измерение массы вагонов мягкими амортизаторами (периодная модификация).
На любом участке рельсов устанавливают упор с упругими амортизаторами. Амортизаторы оснащены датчиками, измеряющими время между касанием вагона с амортизатором при наезде на упор и отрывом вагона при откате.
Зная жесткость амортизатора и продолжительность контакта легко вычислить массу вагона (время контакта равно полупериоду колебаний пружинного маятника).
Влияние момента инерции колес вагона и распределения массы самого амортизатора учитывается аналогично амплитудной модификации.
Преимущества: аналогично амплитудной модификации, измерительная станция может быть перемещаемой и упругий элемент может быть легко заменен. Не нужен радар. Не нужна калибровка начальной длины амортизатора. Наклон путей, если он есть, не влияет на период колебаний такого «пружинного маятника». Трение в системе тоже не влияет на период колебаний. Простые датчики позволяют легко и очень точно измерить продолжительность соприкосновения вагона с упругим элементом (подробнее сдатчиках в «Технических рекомендациях»: «Другие средства»).
Недостатки: колебания амортизатора, возникающие в момент отрыва вагона могут мешать измерению времени отрыва.
3. Динамическое измерение массы вагонов внешними приводами.
С помощью гидравлических или других приводов, имеющих стандартный механизм сцепки с вагоном, оборудованных датчиком для измерения силы, действующей в сцепке, разгоняют и тормозят вагон в необходимой мере. Синхронно с измерением силы измеряют ускорение и скорость вагона любыми средствами, например, оптической или лазерной системой, расположенной рядом с путями, или акселерометрами, закрепляемыми на вагоне или приводах.
Зная одновременные мгновенные значения силы и ускорения, вычисляют массу. Данные нескольких синхронных измерений во время одного разгона или торможения анализируют и обрабатывают любым методом. Например, из данных удаляют измерения, в которых оказывает влияние люфт в механизме сцепки. Выделяют составляющую силы, линейно зависящую от скорости (силы трения) и вычитают ее из всех данных. Выделяют постоянную силу - силу тяжести (при наклоне рельсов) и также вычитают ее из всех данных.
Влияние момента инерции колес вагона учитывается аналогично амплитудной модификации.
При измерении массы емкостей (цесцерн) с жидкостями следует выделять группы измерений с постоянным ускорением на временах порядка характерного времени перемещения жидкости в данной емкости (установившимся наклоном поверхности жидкости). Также можно использовать другие более сложные модели динамики жидкости и проводить расчеты с помощью ЭВМ.
Приводы могут быть оснащены амортизаторами для предотвращения резких воздействий на вагон, особенно в начале разгона и начале торможения, иначе возможны перемещения груза внутри вагона. Это также позволит использовать
более чувствительные датчики силы, что повысит точность измерения силы. Методика и результат измерений от наличия амортизаторов не изменятся.
Вместо приводов для разгона-торможения можно использовать тепловоз, для измерения силы в этом случае нужно прицеплять измеряемый вагон к тепловозу или ж/д составу посредством датчика, имеющего стандартные механизмы сцепки с двух сторон и упругий элемент для предотвращения резких воздействий.
Важно обеспечить, чтобы сила тяги действовала в направлении движения вагона, или учитывать угол между направлением движения и приложенной силой.
Вместо одного датчика можно использовать несколько датчиков, распределяя нагрузку между ними, это еще больше уточнит результат.
Накопление данных и вычисления можно производить с помощью электронных цифровых устройств (ЭВМ), а также блоков сопряжения, обеспечивающих максимальную синхронизацию данных о силе, скорости и ускорении.
Преимущества по сравнению с п.1 и 2: износ, температурные и другие зависимости жесткости амортизаторов и других особенностей конкретной конструкции не влияют на результаты измерений. Благодаря малой силе, температурная зависимость погрешности датчика силы, также будет мала.
4. Динамическое измерение массы вагонов датчиком силы и упругим элементом на упоре.
Устанавливают упор, оборудованный упругим элементом для предотвращения удара при накате вагона, и датчиком силы давления вагона на упор. Устанавливают оптическую или лазерную систему для измерения скорости и ускорения вагона при взаимодействии с упором. В остальном аналогично п.3.
Предварительный грубый расчет, во сколько раз меньше станет измеряемая сила по сравнению с обычным взвешиванием (не учитываются конкретные инструментальные погрешности, в т.ч. погрешность измерения ускорения).
2
Пусть масса вагона m, ускорение свободного падения 9,8 м/с. Тогда при обычном взвешивании требуется измерить силу, равную F=m*9.8 Ньютон
2
При разгоне ванога с нулевой начальной скорости до скорости 5 км/ч (1,39 м/с, примерная скорость пешехода) за 5 секунд потребуется придать ускорение 0,28 м/с (вагон проедет 3,5 м). Сила, которую нужно приложить, равна F=m*0.28 Ньютон.
Значит, требуется измерить силу в 9,8/0,28=35,28 раз меньшую, чем при обычном взвешивании. В это число раз уменьшается порог максимальной допустимой нагрузки на датчик силы, что позволяет использовать менее прочные, но более точные датчики. Для определения массы 25-тонного вагона в данном примере потребуется датчик силы с максимальной допустимой нагрузкой в режиме измерений 708,61 кг. Датчики такого класса имеют меньшую относительную погрешность.
Вместо одного датчика силы можно использовать несколько датчиков, распределяя силу между ними. Это повысит точность измерений за счет статистического усреднения, а также понизит требование к максимальной допустимой нагрузке на каждый датчик и позволит использовать датчики еще более точного класса.
Технические рекомендации к примерам амплитудной и периодной модификаций (к пп.1 и 2 примера определения массы ж/д вагонов)
Упор.
Упор на путях можно изготовлять в виде жесткого шлагбаума (откидывающегося вверх или отъезжающего в сторону), имеющего упоры в закрытом положении. Это позволит выгонять каждый вагон после измерения вперед, а не назад до ближайшей развилки.
Вместо неподвижного упора можно использовать специальный вагон (подвижный или неподвижный при наезде измеряемого вагона), но точность, удобство и простота такого устройства будут уступать вышеописанным.
Разгон.
Разгон вагона в динамических способах можно создавать непродолжительным разгоном и торможением всего состава. Отцепленный вагон по инерции будет накатываться на шлагбаум.
Возможен разгон специальными средствами (например, гидроприводами), но это усложнит измерительную установку. Возможен разгон вагона на наклонном вниз участке рельсов, но продолжающийся разгон во время контакта с амортизатором требует учета в амплитудной модификации. Кроме того, это выдвигает дополнительные требования к наклону путей.
Разгон должен быть слабым, это позволит использовать мягкие амортизаторы для наиболее точных измерений и простое приближение линейных колебаний пружинного маятника, а плавное отталкивание предотвратит перемещение груза внутри вагона.
Амортизаторы.
Амортизаторы могут быть съемные для еще более точного измерения массы пустых вагонов более мягкими амортизаторами.
Амортизаторы могут быть длинными для обеспечения максимальной точности (наибольший период), поэтому, например, изгиб спиралевидного амортизатора в бок нужно предотвращать с помощью поршней, в которые следует помещать такие амортизаторы.
Амортизаторы могут иметь любую сложную конструкцию. Трение в такой конструкции не будет влиять на периодную модификацию.
Амортизаторы должны быть защищены от сильного (тем более, полного) сжатия дополнительными упорами, выступающими из основного упора (например, короткие стержни внутри спиралевидных амортизаторов). Если вагон коснулся этих упоров, то измерения нужно повторить с меньшим разгоном (определять касание можно также автоматическим датчиком). Кроме того, слишком сильное сжатие амортизаторов может внести нелинейный вклад в измерения, и его учет может оказаться сложным.
Амортизаторы на основе поршней с газом использовать не рекомендуется, так как при сжатии меняются термодинамические свойства газа (например, часть энергии сжатия переходит в тепло).
Другие средства.
Данные измерений могут передаваться и обрабатываться автоматически электронными цифровыми или даже аналоговыми устройствами. Возможна обработка данных не только с помощью модели линейных колебаний.
В периодной модификации, для измерения момента контакта и отрыва вагона можно использовать электрические датчики (замыкание цепи в момент контакта, могут понадобиться металлические накладки на упоры вагонов), оптические датчики (датчики света, установленные в специальном углублении в амортизаторе, закрываемом при контакте с упором вагона) и любые другие способы и датчики.
С помощью усложненных (например, оптических) средств можно непрерывно измерять всю динамику взаимодействия вагона с амортизатором, и затем
использовать сложные динамические модели для восстановления параметров системы. Однако такой способ уступает по простоте и удобству, и может не обеспечить большей точности.
3. Колебательные весы.
Этот пример может быть использован в крановых и судовых весах, в технических, торговых и других весах.
Весы основаны на измерении периода собственных колебаний груза на упругом элементе (например, вмонтированном в кран). Период зависит только от массы груза и жесткости упругого элемента, и не зависит ни от трения в системе, ни от положения равновесия (калибровки), ни от ориентации относительно горизонта.
Простые датчики позволяют очень точно измерить период колебаний (подробнее - в технических рекомендациях к примеру 2, п. «Другие средства»).
Для избежания перемещений груза, колебания рекомендуется производить в вертикальной плоскости.
Преимущества: простота, высокая точность, возможность использования в любом поле гравитации и при его отсутствии без дополнительной калибровки. Не нужна калибровка положения равновесия (заодно, это исключает умышленные злоупотребления калибровкой). Сила Архимеда в воздухе не влияет на измерения. Во время измерений не нужно ждать, пока колебания затухнут (колебания - основной режим измерений). Не нужно добавлять трение в систему для скорейшего затухания колебаний, что еще больше искажает измерения обычных весов.
Изношенный упругий элемент может быть легко заменен.
Весы подходят для измерения массы широкого класса объектов, в том числе жидкостей и газов (масса емкости с грузом может быть измерена заранее).
Точность зависит от жесткости упругого элемента и точности измерения периода. Поэтому при взвешивании легких объектов период должен быть максимален. Для заведомо легких объектов можно выбирать очень мягкие и легкие колебательные элементы и проводить измерения в камере с откачанным воздухом, чтобы исключить влияние групповых перемещений воздуха (вихрей и др.). Молекулярная вязкость воздуха на период не влияет.
Измерения проводятся с собственной частотой колебаний, поэтому неоднородности, возникающие при таких колебаниях при взвешивании сплошных сред, будут слабо влиять на измерения на фоне общей массы взвешиваемой среды.
Чем большее количество колебаний измеряется, тем точнее результат, однако для торговых весов желательно делать так, чтобы результат выводился на экран после достаточного совпадения периода двух последовательных колебаний. Это позволит автоматически определять время, когда после погрузки товара на весы система перешла к собственным колебаниям и выводить на экран результат как можно быстрее.
В торговых весах для измерения предметов с большой парусностью в воздухе, достигнув нужной точности, можно измерять массу закрытой емкости, а затем помещать в нее и измерять предметы с большой парусностью (например, целлофановые пакеты).
Измерять в таких весах вместо периода колебаний их амплитуду и максимальную скорость возможно, но тогда конструкция усложнится, а точность может уступать периодной модификации.