ДАТЧИК ДИНАМИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ ВЕСА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
DYNAMIC VEHICLE WEIGHT SENSOR

Изобретение относится к измерительной технике, а конкретно, к датчикам динамического измерения веса транспортных средств, которое может быть использовано в любых системах динамического измерения веса транспортного средства (WIM - Weigh in Motion).
Известен датчик для измерения веса транспортного средства, который состоит из 3 основных частей: внутреннего слоя, который является проводником, внешнего проводящего слоя в виде металлической трубки, пьезоэлектрического слоя, который генерирует сигнал за счет возникновения пьезоэлектрического эффекта при его деформации, находящегося между слоями. Сами слои чаще всего выполняют в виде эллипса с целью уменьшения воздействия поперечных волн, исходящих от колес автомобилей. Датчик устанавливается в дорожное полотно в заранее подготовленный канал и фиксируется специальными крепежными устройствами (см. патент США №5668540, МПК: G08G 1/01, G08G 1/02, E01F 11/00, опубл. 16.09.1997 г.).
Недостаток данного технического решения заключается в том, что при наезде колеса взвешиваемого автотранспорта на датчик вертикально направленное усилие распределяется по всей площади контакта колеса с датчиком. Это приводит к тому, что существенная часть нагрузки по вертикали ретранслируется на нижний слой дорожного покрытия, не попадая на чувствительный элемент, что существенно снижает его чувствительность. При этом, нет никаких косвенных факторов, по которым была бы возможность определить процент потерянной нагрузки для введения поправочного коэффициента, который из раза в раз будет меняться. Все это приводит к нестабильности измерений датчика.
Еще одним недостатком рассматриваемого датчика является его плохая защищенность от воздействия на него поперечных волн, исходящих от колес машин, которые движутся по проезжей части. Даже тот факт, что форма чувствительного элемента имеет эллипсообразный вид, не спасает полностью от воздействия на него поперечных волн. Все это приводит к возникновению помех, а как следствие, к уменьшению точности измерения.
Еще одним недостатком рассматриваемого датчика является его сжимаемость. С течением времени из-за больших нагрузок толщина датчика уменьшается, что также снижает его чувствительность и приводит к проблемам нестабильности нулевой точки.
Еще одним недостатком рассматриваемого датчика является ненадежная фиксация внутри дорожного полотна при его установке. Чувствительный элемент крепится на специальные крепежные устройства, которые устанавливаются через определенный интервал по всей длине чувствительного элемента, которая может достигать более 3 метров. Однако, крепежные устройства не способны полностью обеспечить строгую фиксацию чувствительного элемента по всей его длине, что приводит к отклонениям как по вертикали, так и по горизонтали. Заливающийся раствор не улучшает ситуацию, так как просто фиксирует уже отклоненное состояние чувствительного элемента. Обнаружить данные отклонения крайне трудно на месте установки. Данные отклонения приводят к ухудшению чувствительности и точности пьезоэлектрического кабеля.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является вариант исполнения датчика, в котором чувствительный элемент располагается на подложке, зажатый между двумя эластичными прокладками, помещенный в термоусадочную трубку. Термоусадочная трубка размещается в канале дорожного полотна (см. патент РФ №2531654, МПК: G01G 19/02, опубл. 20.10.2014).
Помимо всех вышеперечисленных недостатков, кроме влияния поперечных волн, вызванных проезжающим автотранспортном, данный датчик имеет существенный недостаток: эластичные прокладки, между которыми располагается чувствительный элемент, дают ему дополнительную степень свободы, направленную в горизонтальном направлении. Это значит, что чувствительный элемент может сжиматься и изгибаться также и в горизонтальном направлении. Известный факт, что электромеханические свойства пьезоэлектрических материалов сильно зависят от направления механической деформации, т.е. при одинаковых условиях (масса, скорость и площадь) приложения нагрузки в разных направлениях одного и того же образца выходной сигнал, получаемый пропорционально приложенной силе, будет разным.
Горизонтальные силы возникают ввиду разности давления между двумя областями дорожного покрытия, которые расположены до и после установленного датчика. В момент, когда вблизи датчика нет автотранспорта, дорожное покрытие давит на него одинаково с двух сторон. В таком случае разность давлений равна 0, и чувствительный элемент находится в неподвижном состоянии. Однако, в момент наезда и съезда колеса нагрузка от оси транспортного средства вымещает асфальт, придавая дополнительное давление одной из сторон дорожного полотна. Отсюда возникает разность давлений, которое и заставляет деформироваться чувствительной элемент в горизонтальном направлении. Причем, за весь полный цикл взвешивания (начало воздействия нагрузки на датчик и конец) чувствительный элемент изгибается в обе стороны. Это приводит к возникновению серьезных и неконтролируемых отклонений сигнала датчика, вследствие чего падает точность.
Технической задачей, на решение которой направлено настоящей изобретение, заключается в повышении точности измерения датчика за счет наиболее эффективного подведения приложенной нагрузки к чувствительному элементу, уменьшения воздействия внешних помех, предотвращения сжимаемости чувствительного элемента и его надежная фиксация.
Решение поставленной технической задачи достигается тем, что датчик динамического измерения веса транспортного средства, содержащий приемный элемент, подложку и расположенный между ними чувствительный элемент в качестве преобразователя усилия нагрузки в электрический сигнал, размещенный в продольном канале дорожного полотна с возможностью фиксации в нем, согласно изобретению подложка выполнена в виде жесткой опоры Т-образного профиля, в выступающей части которой имеется паз с размещенным в нем чувствительным элементом, а приемный элемент выполнен в виде жесткой опоры П-образного профиля с выступом по центру, взаимодействующим с чувствительным элементом, при этом ширина паза Т-образной опоры равна ширине выступа П-образной опоры, а конструкция датчика оснащен возвратным механизмом, который имеет возможность находиться в упругой или жесткой связи с Т-образным и П-образным профилями.
На решение поставленной задачи направлено также то, что чувствительный элемент может быть выполнен в виде кабеля либо пьезоэлектрического, либо тензорезистивного, либо емкостного, либо оптического, либо магнитоупругого метода измерения.
На решение поставленной задачи направлено также то, что чувствительный элемент помещен в термоусадочную трубку.
Решение поставленной технической задачи достигается благодаря подведению приложенной нагрузки колеса автотранспортного средства к чувствительному элементу, обеспечивая прямой контакт приемного и чувствительного элемента друг с другом, наличию возвратного механизма, позволяющего контролировать процент подаваемой нагрузки на чувствительный элемент, а также жесткой фиксации чувствительного элемента в пазах с жесткими стенками, что позволяет предотвращать возможность изгиба по горизонтальной оси.
Изобретение иллюстрируется приложенными чертежами, где на фиг. 1 представлена общая конструкции датчика на виде спереди; на фиг. 2 изображен разрез А-А на фиг. 1.
Датчик динамического измерения веса транспортного средства (фиг. 2), содержит приемный элемент 1, подложку 2 и расположенный между ними чувствительный элемент 3 в качестве преобразователя усилия нагрузки в электрический сигнал, размещенный в продольном канале дорожного полотна с возможностью фиксации в нем. Подложка 2 выполнена в виде жесткой опоры Т-образного профиля, в выступающей части которой имеется паз (на чертеже не обозначен) с размещенным в нем чувствительным элементом 3, а приемный элемент 1 выполнен в виде жесткой опоры П-образного профиля с выступом (на чертеже не обозначен) по центру, взаимодействующий с чувствительным элементом 3. При этом ширина паза Т-образной опоры равна ширине выступа П-образной опоры. Конструкция датчика оснащена возвратным механизмом 4, который имеет возможность находится в упругой или жесткой связи с Т-образным и П-образным профилями. Например, возвратный механизм может состоять (фиг. 1) из болта 5, гайки 7 и пружины 6.
Чувствительный элемент 3 может быть выполнен в виде кабеля либо пьезоэлектрического, либо тензорезистивного, либо емкостного, либо оптического, либо магнитоупругого метода измерения. Для обеспечения электроизоляции чувствительный элемент 3 может быть помещен в термоусадочную трубку.
Датчик динамического измерения веса транспортного средства работает следующим образом.
При наезде одной оси транспортного средства на приемный элемент 1, формируемое на его поверхности усилие прикладывается сконцентрировано на расположенный на подложке 2 чувствительный элемент 3, а также на возвратный механизм 4. Далее под давлением чувствительный элемент 3 начнет сжиматься, меняя свои геометрические формы по горизонтали. Относительно того, какой способ измерения имеет чувствительный элемент 3, формируется зависимость приложенной нагрузки и выходного электрического сигнала. По мере уменьшения прикладываемой нагрузки оси транспортного средства возвратный механизм 4 начнет возвращать приемный элемент 1 в начальное состояние.
Повышение точности измерения достигается за счет того, что нагрузка, действующая со стороны колеса транспортного средства, четко ретранслируется от колеса через приемный элемент 1 на чувствительный элемент 3. При этом, с помощью возвратного механизма 4 можно контролировать долю поступающей на чувствительный элемент 3 нагрузки, меняя жесткость возвратного механизма 4, тем самым способствуя уменьшению сжимаемости чувствительного элемента 3. Уменьшение сжимаемости обеспечивает более долгую и точную работу датчика. Помимо этого жесткий паз, который расположен на подложке 2, обеспечивает четкую фиксацию чувствительного элемента 3 на всей протяженности датчика, что позволяет избежать отклонений от центральной оси во время его установки, а значит избежать погрешностей в измерениях. Ко всему этому, жесткая фиксация чувствительного элемента 3 не оставляет ему возможности двигаться по горизонтальной оси, что также существенно уменьшает помехи выходного сигнала. За счет самого факта нахождения чувствительного элемента 3 в жесткой установке и невозможности к горизонтальным изгибам и отклонениям, он становится наиболее устойчивым к поперечным волнам.
Таким образом, изобретение позволяет повысить точность измерения датчика за счет наиболее эффективного подведения приложенной нагрузки к чувствительному элементу, уменьшения воздействия внешних помех, предотвращения сжимаемости чувствительного элемента и его надежная фиксации.