Датчик усилия тензометрический

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована, в частности, в устройствах для ограничения грузоподъемности машин и механизмов.
Уровень техники
Известен датчик усилия тензометрический, входящий в состав ограничителя грузоподъемности мостовых кранов. Датчик содержит силоизмерительный элемент, выполненный в виде смещенных друг относительно друга и связанных между собой упругими балками опорных призм, часть из которых закреплена на опоре вала грузового барабана, а другая часть - на грузовой тележке крана, тензометрический преобразователь и электронное пороговое устройство. Тензометрический преобразователь включает в себя четыре тензорезистора, попарно закрепленные на поверхностях упругих балок и соединенные в электрический мост, измерительная диагональ которого подключена к входу электронного порогового устройства (SU 440330, В66С 23/88, 25.08.1974).
В данной конструкции упругие балки размещены между центральной и крайними опорными призмами, и измерительная база определяется расстоянием между ними. Расстояние между призмами полностью определяется компоновкой узла опоры грузового барабана на грузовой тележке крана, в силу чего абсолютная величина деформации упругих балок очень маленькая. Малые размеры измерительной базы и малая величина деформации упругих балок снижают точность измерения усилий, а соответственно понижают надежность ограничителя грузоподъемности мостового крана. Кроме того, данная конструкция обладает недостаточной защищенностью тензорезисторов от внешних воздействий, поэтому в процессе эксплуатации датчика вне закрытых помещений при низких температурах возможно появление льда на поверхности тензорезисторов, что снижает надежность датчика и усложняет его обслуживание.
Известен также датчик усилия тензометрический ограничителя грузоподъемности крана, представляющий собой встроенное в шарнир силовой опоры тензометрическое устройство, содержащее упругий элемент в форме полого цилиндра, имеющий боковые и центральную опорные части, соединенные между собой цилиндрическим чувствительным элементом. На внутренней поверхности упругого элемента закреплены соединенные в мостовую схему тензорезисторы, сигнал с которых поступает на электронное пороговое устройство (RU 2081809, В66С 23/88, 20.06.1997).
Данная конструкция обеспечивает повышенную защиту тензорезисторов и электронного порогового устройства от внешних атмосферных воздействий за счет расположения их в полости цилиндра, который с торцов закрыт герметичными заглушками, однако это существенно усложняет конструкцию датчика и увеличивает затраты на изготовление. Кроме того, установка тензорезисторов на внутренней поверхности полого цилиндра на большом расстоянии от торцевых поверхностей датчика заметно усложняет и удорожает операцию их наклейки, так как требует разработки и изготовления специального приспособления, с возможностью создания определенного усилия прижатия тензорезисторов к внутренней поверхности полого цилиндра, а также усложняет ремонт и обслуживание датчика при его эксплуатации.
Наиболее близким к предложенной полезной модели по совокупности существенных признаков является датчик усилия тензометрический, имеющий две концевые опорные части и расположенную между ними силоприемную часть, соединенную с концевыми опорными частями с помощью упругих элементов, снабженных тензопреобразователями, при этом в боковых продольных стенках силовоспринимающего элемента выполнены по две выемки в виде симметрично расположенных относительно оси силоприемной части цилиндрических гнезд одинакового диаметра и глубины с образованием двух пар идентичных встречно направленных несквозных выемок, разделенных вертикальными силоизмерительными перегородками с размещенными на них четырьмя тензопреобразователями. Каждый тензопреобразователь представляет собой двухэлементную тензорезисторную розетку, состоящую из двух соединенных резисторов, при этом один резистор подвергается воздействию сжимающих деформаций, а второй резистор подвергается воздействию растягивающих деформаций (RU 100245 U1, G01L 1/22, 10.12.2010).
В данной конструкции датчика область наибольших деформаций сдвига находится на середине тензопреобразователя типа «елочка», которая нечувствительна к деформациям из-за наличия зазора между ее составными частями (перпендикулярно направленными тензорезисторами), что ограничивает точность измерения усилий, а применение дорогостоящих и сложных по конструкции и при монтаже тензопреобразователей типа «елочка» (из-за большого количества соединительных проводов и количества паек), увеличивает затраты на изготовление датчика, усложняет контроль за силовоспринимающим элементом и тензопреобразователями в процессе эксплуатации датчика, и ограничивает надежность датчика в целом.
Кроме того, длина чувствительной части силовоспринимающего элемента определяется размером выемки, размер которой практически совпадает с расстоянием между концевой и силоприемной частью, что не дает возможность встроить данный датчик в некоторые существующие опоры грузоподъемных механизмов и ограничивает тем самым возможность использовать данный датчик в эксплуатируемых грузоподъемных машинах.
Раскрытие сущности полезной модели
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является разработка датчика усилия тензометрического с повышенной точностью измерения и повышенной эксплуатационной надежностью, при уменьшенных затратах на изготовление и минимальном контроле за силовоспринимающим элементом и тензопреобразователями в процессе эксплуатации.
Дополнительной задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является создание датчика усилия тензометрического, который можно было бы встроить в нагружаемый узел, имеющий ограничения по его компоновке, например, в узел опоры грузового барабана на грузовой тележке крана
Для решения поставленных задач предлагается датчик усилия тензометрический, содержащий силовоспринимающий элемент в виде балки с прямоугольным поперечным сечением, имеющий две концевые опорные части и расположенную между ними силоприемную часть, соединенную с концевыми опорными частями с помощью упругих элементов, снабженных тензопреобразователями, при этом в боковых продольных стенках силовоспринимающего элемента выполнены по две выемки в виде симметрично расположенных относительно оси силоприемной части цилиндрических гнезд одинакового диаметра и глубины с образованием двух пар идентичных встречно направленных несквозных выемок, разделенных вертикальными силоизмерительными перегородками с размещенными на них тензопреобразователями, согласно полезной модели каждый тензопреобразователь выполнен в виде одного диаметрально расположенного тензорезистора, при этом тензорезисторы размещены на указанных перегородках с возможностью измерения двумя тензорезисторами сжимающих деформаций, а двумя другими тензорезисторами - растягивающих деформаций.
Кроме того, цилиндрические гнезда могут быть выполнены в боковых продольных стенках силовоспринимающего элемента с частичным расположением гнезд в силоприемной и концевых опорных частях.
В основу полезной модели положено выполнение каждого тензопреобразователя в виде одного диаметрально расположенного тензорезистора, при этом тензорезисторы размещены на вертикальных силоизмерительных перегородках в зонах наибольших деформаций сдвига, что повышает точность измерения усилий. Датчик содержит минимальное количество деталей, что упрощает его изготовление и эксплуатацию, а также повышает надежность датчика в целом.
Выполнение цилиндрических гнезд в боковых продольных стенках силовоспринимающего элемента с частичным расположением гнезд в силоприемной и боковых опорных частях позволяет уменьшить по размеру чувствительные зоны силовоспринимающего элемента и обеспечивает тем самым возможность использовать данный датчик более широко в эксплуатируемых грузоподъемных машинах.
Технический результат от использования полезной модели - повышение точности измерения и эксплуатационной надежности датчика.
Приведенные далее описание и сопровождающие чертежи предназначены только для иллюстрации полезной модели и ни в коем случае не ограничивают объема формулы полезной модели.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан предлагаемый датчик усилия, общий вид, без крышек, защищающих тензорезисторы; на фиг. 2 - вид А на фиг. 1 с крышками, защищающими тензорезисторы; на фиг. 3 - вид Б на фиг. 2; на фиг. 4 - сечение В-В на фиг. 1; на фиг. 5 - вид Г на фиг. 1 с крышками, защищающими тензорезисторы; на фиг. 6 - соединение тензорезисторов в электрический мост; на фиг. 7 и 8 - предлагаемый датчик с блоком обработки сигналов и его функциональная схема.
Осуществление полезной модели
По первому примеру исполнения датчик усилия содержит силовоспринимающий элемент 1 в виде балки с прямоугольным поперечным сечением, имеющий две концевые опорные части 2 и расположенную между ними силоприемную часть 3, соединенную с концевыми опорными частями 2 с помощью упругих элементов 4 (на чертеже условно выделенных пунктирными линиями).
В боковых продольных стенках 5 силовоспринимающего элемента 1 выполнены по две несквозные выемки в виде симметрично расположенных относительно оси силоприемной части 3 цилиндрических гнезд 6 одинакового диаметра и глубины с образованием двух пар идентичных встречно направленных несквозных выемок, разделенных вертикальными силоизмерительными перегородками 7 с размещенными на них четырьмя тензопреобразователями. При этом гнезда 6 выполнены в боковых продольных стенках 5 силовоспринимающего элемента 1 с частичным расположением их в его силоприемной 3 и концевых 2 опорных частях, а в самих концевых опорных частях 2 и силоприемной части 3 выполнены отверстия 8 и 9 для крепления датчика на исследуемом объекте с помощью резьбовых крепежных элементов (на чертеже не показаны). Концевые опорные части 2 крепятся на основании, например, грузовой тележки крана, а к силоприемной части 3 крепится элемент для нагружения датчика - опора грузового барабана крана.
На поверхностях 10 перегородки 7 закреплены тензопреобразователи, каждый из которых представляет собой один диаметрально расположенный тензорезистор 11, а в самих перегородках 7 выполнены каналы 12 для электропроводки к тензорезисторам 11. Оба тензорезистора 11 размещены на перегородке 7 с возможностью измерения одним тензорезистором Rc - сжимающих деформаций, а другим тензорезистором Rt - растягивающих деформаций. Тензорезисторы Rc размещены на перегородках 7 под углом α=45-75° к продольной оси силовоспринимающего элемента 1, а тензорезисторы Rt размещены на перегородках 7 под углом β=45-15° к продольной оси силовоспринимающего элемента 1. Размещение тензорезисторов Rc и Rt на перегородках 7 под углами, соответственно, α и β зависит от взаимного расположения концевых опорных частей 2 силовоспринимающего элемента 1. Углы подбираются экспериментальным путем для получения максимального сигнала с электрического моста.
Тензорезисторы 11 на фиг. 1 показаны условно без соблюдения масштаба, и следует понимать, что в реальной конструкции размеры тензорезисторов выбираются в соответствии с общепринятыми рекомендациями. Полости гнезд 6 с тензорезисторами 11 заполнены герметизирующим полимерным материалом 13, как это показано на фиг. 4. Выводы тензорезисторов 11 соединены в электрический мост с токоподводящими и измерительными выводами.
Силоприемная часть 3 и концевые опорные части 2 силовоспринимающего элемента 1 снабжены закрепленными на них плоскими прямоугольными силопередающими элементами 14 и 15 соответственно, ширина которых предпочтительно равна ширине балки.
На одной из боковых поверхностей 5 силовоспринимающего элемента 1 закреплена крышка 16 с перекрытием расположенных на данной поверхности цилиндрических гнезд 6 с тензорезисторами 11. Крышка 16 снабжена гермовыводом 17, к контактам которого подключаются токоподводящие и измерительные выводы для соединения датчика с источником электропитания и регистрирующей аппаратурой. Полости цилиндрических гнезд 6 на противоположной боковой поверхности 5 силовоспринимающего элемента 1 изолированы от воздействия внешней среды с помощью крышек 18. Зоны присоединения крышки 16 и крышек 18 герметизированы любым известным способом с использованием любого приемлемого герметика.
Для описания схемы на фиг. 5 введем обозначения для тензорезисторов 11. Датчик, показанный на фиг. 1, содержит в каждом гнезде 6 один тензорезистор 11. Соответственно в обозначение каждого тензорезистора входит индекс (номер) гнезда и буквенное обозначение вида напряжений, которому подвергается данный тензорезистор. Например, обозначение R1.c означает, что данное обозначение относится к резистору, подвергающемуся воздействию сжимающих напряжений и расположенному в первом гнезде. Обозначение R2.t означает, что данное обозначение относится к резистору, подвергающемуся воздействию растягивающих напряжений и расположенному во втором гнезде. Соответственно в данном примере реализации полезной модели будут четыре тензорезистора: R1.c и R4.t; R2.t и R3.c.
Датчик усилия работает следующим образом. Усилие Р, действующее на силоизмерительный элемент 1, вызывает деформацию вертикальных силоизмерительных перегородок 7 с закрепленными на них тензорезисторами 11, что приводит к изменению их сопротивлений R и разбалансу электрического моста. Сигнал с измерительной диагонали моста поступает на вход регистрирующей аппаратуры (на чертеже не показана), в котором происходит обработка результатов измерений.
Хотя в примере реализации полезной модели, приведенном на фиг. 1 и 3, оба тензорезистора 11 в каждой паре выемок размещены на противоположных сторонах вертикальной силоизмерительной перегородки 7 с возможностью измерения, соответственно, сжимающих и растягивающих деформаций, для специалистов понятно, что возможна также реализация полезной модели с размещением на противоположных сторонах одной из перегородок 7 тензорезисторов с возможностью измерения сжимающих деформаций, а на другой - растягивающих деформаций, или с размещением в выемках, выполненных на одной из боковых сторон силовоспринимающего элемента, тензорезисторов с возможностью измерения ими сжимающих деформаций, а на другой - растягивающих деформаций.
Кроме этого цилиндрические гнезда 6 могут быть выполнены в боковых продольных стенках 5 силовоспринимающего элемента 1 между его концевыми 2 и силоприемной 3 опорными частями, если это допустимо конструкцией узла, в который встраивается предлагаемый данный датчик, а силопередающие элементы 14 и 15 могут быть выполнены в виде приливов на силовоспринимающем элементе 1.
По второму примеру исполнения датчик усилия снабжен блоком 19 обработки сигналов с измерительной диагонали электрического моста, который может быть выполнен так же, как и в устройстве-прототипе (RU 100245 U1). Блок 19 обработки сигналов включает в себя усилитель 20 с программируемым коэффициентом усиления и возможностью программного смещения нуля, микроконтроллер 21 со встроенным или внешним аналого-цифровым преобразователем, и согласующее устройство 22. Тензорезисторы 11 соединены в электрический мост, измерительная диагональ которого подключена к входу усилителя 20, выход которого подключен к аналого-цифровому преобразователю микроконтроллера 21. К выходу микроконтроллера 21 подключено согласующее устройство 22, преобразующее цифровые сигналы микроконтроллера 21 в цифровой код последовательного интерфейса для передачи в регистрирующую аппаратуру (на чертеже не показана), в котором происходит обработка результатов измерений.
Блок 19 обработки сигналов с измерительной диагонали электрического моста содержит корпус 23, закрепленный на одной из боковых поверхностей 5 силовоспринимающего элемента 1 с перекрытием расположенных на данной поверхности гнезд 6 с тензорезисторами 11 и установленную в полости 24 корпуса 23 печатную плату 25, на которой смонтированы усилитель 20, микроконтроллер 21 и согласующее устройство 22. На корпусе 23 закреплен, по крайней мере, один разъем 26 для подключения датчика к регистрирующей аппаратуре с помощью общего проводного или беспроводного последовательного интерфейсного канала. Полости гнезд 6 на противоположной боковой поверхности 5 силовоспринимающего элемента 1 изолированы от воздействия внешней среды с помощью крышек 18. Зоны присоединения корпуса 23 и крышек 18 также герметизированы любым известным способом с использованием любого приемлемого герметика.
Датчик усилия, снабженный блоком обработки сигналов, работает следующим образом. Усилие Р, действующее на силоизмерительный элемент 1, вызывает деформацию вертикальных силоизмерительных перегородок 7 с закрепленными на них тензорезисторами 11, что приводит к изменению их сопротивлений R и разбалансу электрического моста. Сигнал с измерительной диагонали моста поступает на вход усилителя 20. С выхода усилителя 20 сигнал подается на вход аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера 21 для преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал. Согласующее устройство 22 преобразует цифровой сигнал с выхода микроконтроллера 21 в цифровой код последовательного интерфейса с последующей передачей результатов измерения с цифрового выхода датчика в пункт приема по проводной или беспроводной линии связи.
Предлагаемый датчик может быть изготовлен промышленным способом на заводах, выпускающих оборудование для грузоподъемных машин. Силовоспринимающий элемент 1 датчика усилия изготавливается из высококачественной листовой стали, обладающей высокими механическими свойствами (36НХТЮ, 30ХГСА, 40X13 и др.). В датчике могут быть использованы пленочные тензорезисторы 11, выпускаемые, например, фирмами "ZEMIC" (КНР), ЗАО "Весоизмерительная компания "Тензо-М" (Россия), ООО «ВЕДА» (Украина) и др. Для реализации блока 19 обработки сигналов можно использовать перепрограммируемый микроконтроллер 21 марки MSP430F149 фирмы "Texas Instruments" (США) или другие микроконтроллеры подобного типа. В качестве усилителя 20 можно использовать микросхему AD8555AR фирмы Analog Devices, а согласующее устройство 2 можно реализовать на базе микросхемы TJA1050.