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 помехозащищенностью от внешних электромагнитных наводок.
Известны датчики для измерения усилий, содержащие герметичный металлический корпус с установленным нем упругим силовоспринимающим элементом с тензорезисторами, соединенными в электрический мост, и размещенный в корпусе блок обработки сигналов с тензорезисторов, к которому подключен закрепленный на корпусе электроразъем для соединения с регистрирующей аппаратурой (см., например, патент США №5076375, 31.12.1991, или патент РФ на полезную модель №53774, 27.05.2006, взятый заявителем в качестве прототипа). Такая конструкция датчика обеспечивает надежную защиту его элементов от воздействия внешней среды, при этом металлический корпус датчика является экранирующей оболочкой, предотвращающей проникновение помех внутрь корпуса. Однако наличие в корпусе отверстия для электроразъема снижает эффективность экранирования, открывая путь для высокочастотных помех. Снижает также помехозащищенность датчика использование неэкранированных кабелей для соединения датчика с регистрирующей аппаратурой, или кабелей с традиционным способом их экранирования - оплеткой, так как оплетка не обладает удовлетворительными экранирующими способностями в широком диапазоне частот, вплоть до гигагерц. Поэтому известные датчики обладают недостаточной помехозащищенностью от линий электропередач, грозовых разрядов и иных атмосферных явлений, а также при работе в условиях промышленных объектов, где могут присутствовать различные источники
электромагнитных помех: жидкий металл, мощные электродвигатели, сварочные агрегаты, коммутирующая аппаратура. Внешние электромагнитные возмущения (зачастую недопустимо значительные) увеличивают долю электромагнитных помех в аналоговом или цифровом выходном сигнале, а также вызывают сбои в передаче цифровых сигналов с последующим отключением приборами безопасности дорогостоящего оборудования, что увеличивает стоимость его простоя, а в некоторых случаях является совершенно недопустимым, например, в металлургическом производстве.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание датчика для измерения усилий, обладающего повышенной помехозащищенностью от внешних электромагнитных наводок.
Для достижения поставленной задачи в датчике для измерения усилий, содержащем герметичный металлический корпус с установленным нем упругим силовоспринимающим элементом с тензорезисторами, соединенными в электрический мост, и размещенный в корпусе блок обработки сигналов с тензорезисторов, к которому подключен закрепленный на корпусе электроразъем для соединения с регистрирующей аппаратурой, согласно полезной модели, электроразъем подключен к блоку обработки сигналов с тензорезисторов через электрические фильтры верхних частот.
При этом электроразъем закреплен на корпусе с помощью металлического переходника, на свободном конце которого закреплена металлическая перегородка с отверстиями под электрические фильтры, в качестве которых использованы керамические проходные неизолированные П-образные фильтры, имеющие два оппозитно расположенных вывода, образующих вход и выход электрического фильтра, и размещенный между ними объединенный кольцеобразный вывод, электрически соединенный с указанной перегородкой.
Предпочтительно, переходник и перегородка выполнены за одно целое.
В основу предложенного датчика положены пассивные методы защиты от электромагнитных помех, основанные на применении фильтрации и
экранирования. Введение в датчик электрических фильтров верхних частот, через которые электроразъем подключен к блоку обработки сигналов с тензорезисторов, повышает помехозащищенность датчика от наводок по цепям, связывающим датчик с измерительной аппаратурой, и значительно уменьшает долю электромагнитных помех в аналоговом или цифровом сигнале, подаваемом по кабельной линии на регистрирующую аппаратуру.
Закрепление электроразъема на корпусе с помощью металлического переходника, на свободном конце которого закреплена металлическая перегородка с отверстиями под электрические фильтры, в качестве которых использованы керамические проходные неизолированные П-образные фильтры, имеющие два оппозитно расположенных вывода, образующих вход и выход электрического фильтра, и размещенный между ними объединенный кольцеобразный вывод, электрически соединенный с указанной перегородкой, повышает эффективность экранирования элементов датчика и обеспечивает эффективное подавление высокочастотных помех при воздействии на датчик внешних электромагнитных возмущений.
Выполнение переходник и перегородки за одно целое упрощает технологию изготовления датчика.
На фиг.1 изображен общий вид датчика для измерения усилий; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - вид Б на фиг.1; на фиг.4 - место В на фиг.1.
Датчик содержит металлический корпус 1 в виде стакана, на торце которого установлена мембрана 2. В корпусе и мембране выполнены центральные отверстия. Вдоль оси корпуса расположен силовоспринимающий элемент 3 в виде стержня, имеющего два концевых участка 4 с резьбовыми наконечниками 5, пропущенными через центральные отверстия в корпусе 1 и мембране 2 и соединенными с ними с помощью гаек 6, и расположенный между ними центральный участок 7 прямоугольного сечения с закрепленными на нем тензорезисторами 8. К выступающим за пределы корпуса 1 резьбовым наконечникам 5 присоединены проушины 9 либо другие элементы для
соединения датчика с тросовой подвеской или с другими силопередающими элементами оборудования.
Стенка корпуса 1 выполнена с внутренними продольными приливами 10. Мембрана 2 закреплена по периметру на торце корпуса 1 с помощью прижимного кольца 11 и винтов 12, ввернутых в резьбовые отверстия, выполненные в стенке корпуса в местах приливов 10. Зона присоединения мембраны 2 к корпусу 1 герметизирована с помощью прокладки 13 и герметика так, что внутри корпуса образуется герметичная полость.
В полости корпуса 1 размещен блок 14 обработки сигналов с тензорезисторов, плата 15 которого поджата к стенке корпуса двумя симметрично расположенными приливами 10. Тензорезисторы 8 присоединены к блоку 14 проводами (на чертеже не показано) и соединены на плате 15 в электрический мост.
Конструкция силовоспринимающего элемента 3, расположение на нем тензорезисторов 8 и конструкция блока 14 обработки сигнала с тензорезисторов не являются предметом полезной модели. Блок обработки сигналов с тензорезисторов может включать в себя операционные усилители, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор, запоминающее устройство, переключатель и другие электронные компоненты. Реализация блока 14 не представляет труда для специалистов, так как различные блоки обработки сигналов с тензорезисторов широко описаны в технической литературе, например, в указанном патенте США №5076375.
В корпусе 1 выполнено резьбовое отверстие, в котором герметично закреплен металлический переходник 16, на одном из торцов которого герметично закреплен электроразъем 17 винтами 18, а на другом торце имеется перегородка 19, выполненная за одно целое с переходником 16. В перегородке 19 выполнены отверстия, в которых установлены керамические проходные неизолированные П-образные фильтры 20, имеющие два оппозитно расположенных вывода 21 и 22, образующих соответственно вход и выход
электрического фильтра, и размещенный между ними объединенный кольцеобразный вывод, электрически соединенный с перегородкой 19. Выводы 21 электрических фильтров 20 подключены к контактам электроразъема 17, а выводы 22 - к блоку 14 обработки сигналов с тензорезисторов.
В датчике могут быть использованы тензорезисторы фирмы "ZEMIC" (КНР) или другие тензорезисторы подобного типа, например, тензорезисторы, выпускаемые ЗАО "Весоизмерительная компания "Тензо-М".
В качестве электрических фильтров могут быть использованы керамические проходные фильтры марки Б23А, обеспечивающие подавление высокочастотных помех в диапазоне частот 100 мГц-10 гГц. Фильтры изготавливаются в соответствии с техническими условиями ОЖ0.206.029 ТУ.
К электроразъему 17 подключается кабель для соединения датчика с регистрирующей аппаратурой. Через кабельный ввод осуществляется подвод питающего напряжения к электрическому мосту и блоку обработки сигналов с тензорезисторов, а также передача с датчика телеметрической информации в виде цифрового сигнала или токового сигнала 4...20 мА.
Датчик работает следующим образом.
Измеряемое усилие прикладывается к проушинам 9 и передается на силовоспринимающий элемент 3, который под действием усилия деформируется. Сигналы с тензорезисторов 8 поступают на блок 14 обработки сигналов с тензорезисторов. Обработанный сигнал через электроразъем 17 подается по кабелю на измерительную аппаратуру. При воздействии на датчик электромагнитных помех, например, в виде грозовых разрядов, из совокупности сигналов, поступающих на вход электрического фильтра, на его выходе остаются сигналы, содержащие частоты, определяемые полосой пропускания электрического фильтра 20. Для остальных сигналов электрический фильтр создает достаточно большое затухание. При этом перегородка 19 обеспечивает экранирование тензорезисторов 8 и элементов блока 14 обработки сигналов с
тензорезисторов со стороны электроразъема 17, что дополнительно повышает помехозащищенность датчика от внешних электромагнитных наводок.
Описанное устройство является лишь частным примером осуществления предлагаемой полезной модели. При ее реализации могут использоваться различные конструктивные исполнения элементов датчика и различные узлы монтажа датчика на оборудовании, отличающиеся от описанных в данной заявке и приведенных на рисунках, иллюстрирующих полезную модель. Например: силовоспринимащий элемент может быть выполнен так, как показано в патенте РФ на полезную модель №53774; полость корпуса может быть заполнена герметизирующим диэлектрическим гелем, а для уменьшения его расхода датчик может быть снабжен вставкой из пористого полимерного материала, установленной в свободном объеме корпуса с зазором относительно силовоспринимающего элемента.
Предлагаемая полезная модель может быть изготовлена промышленным способом на приборостроительном предприятии с использованием современных электронных компонентов 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.