УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОДОЛЬНЫХ УСИЛИЙ

Полезная модель относится к силоизмерительной технике и может быть использована в устройствах для ограничения грузоподъемности кранов, а также в любом другом оборудовании, где требуется измерение приложенного усилия с повышенной устойчивостью к внешним воздействиям.
Известны устройства для измерения продольных усилий, содержащие упругий силовоспринимающий элемент, имеющий два силовводящих участка и расположенный между ними центральный участок, на котором расположен тензометрический преобразователь деформации силовоспринимающего элемента в электрический сигнал (см., например, патент РФ №53774 U1, G01L 1/22, 27.05.2006). В известных устройствах погрешность при измерении усилия существенным образом зависит от размеров тензорезисторного преобразователя, точности его закрепления относительно зоны максимальных напряжений и качества приклеивания тензорезисторного преобразователя к силовоспринимающему элементу. На точность измерения усилия влияют также упругие характеристики клеевого соединения, которые зависят от температуры и со временем ухудшаются. Наиболее существенное изменение характеристик клеевого соединения происходит при циклических изменениях температуры в диапазоне от - 40 до +50°С. Кроме этого, известные устройства, в которых используются тензометрические преобразователи, обладают недостаточной надежностью, так как при воздействии на них вибрационных и ударных нагрузок в процессе эксплуатации возможно отслоение тензометрического преобразователя от силовоспринимающего элемента.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является разработка устройства для измерения продольных усилий с повышенной помехозащищенностью и устойчивостью к внешним воздействиям в течение всего срока эксплуатации. Другой задачей полезной
модели является разработка устройства, способного с повышенной точностью измерять большие продольные усилия (до нескольких тонн) путем разделения между элементами устройства функций восприятия силовой нагрузки и измерения упругих деформаций.
Для достижения поставленной задачи устройство для измерения продольных усилий, содержащее упругий силовоспринимающий элемент, имеющий центральный и два силовводящих участка, и преобразователь деформации силовоспринимающего элемента в электрический сигнал, согласно полезной модели, снабжено преобразователем возвратно-поступательного движения силовводящих участков силовоспринимающего элемента во вращательное движение его центрального участка, а преобразователь деформации силовоспринимающего элемента в электрический сигнал выполнен в виде бесконтактного датчика угла поворота центрального участка.
При этом преобразователь возвратно-поступательного движения силовводящих участков силовоспринимающего элемента во вращательное движение его центрального участка выполнен в виде зигзагообразного элемента, средняя часть которого образует центральный участок силовоспринимающего элемента.
Предпочтительно, силовводящие участки силовоспринимающего элемента и преобразователь возвратно-поступательного движения силовводящих участков силовоспринимающего элемента во вращательное движение его центрального участка выполнены за одно целое из металлической полосы.
Предпочтительно, бесконтактный датчик угла поворота центрального участка силовоспринимающего элемента выполнен в виде магнитного энкодера, включающего интегральную микросхему-преобразователь и закрепленный на центральном участке силовоспринимающего элемента с зазором относительно микросхемы-преобразователя постоянный магнит, линии магнитной индукции которого параллельны плоскости микросхемы-преобразователя.
При этом устройство снабжено цилиндрическим корпусом, в стенке которого выполнены две диаметрально расположенные прорези, через которые пропущены концевые силовводящие участки силовоспринимающего элемента, при этом корпус выполнен составным из двух соединенных между собой чашек с соосно установленными в них подшипниками и снабжен крышкой, на которой закреплен электроразъем для подключения устройства к регистрирующей аппаратуре, на центральном участке силовоспринимающего элемента жестко закреплен опорный элемент с расположенными на его торцах шипами, установленными в указанных подшипниках, интегральная микросхема-преобразователь магнитного энкодера размещена в полости крышки и подключена к электроразъему, а на торце одного из указанных шипов закреплен с помощью клея постоянный магнит магнитного энкодера.
Кроме того, устройство может быть снабжено двумя дополнительными упругими силовоспринимающим элементами в виде охватывающих корпус скоб, концы которых жестко соединены с силовводящими участками пропущенного через корпус силовоспринимающего элемента.
В основу предложенного устройства положено преобразование возвратно-поступательного движения силовводящих участков силовоспринимающего элемента во вращательное движение его центрального участка и выполнение при этом преобразователя деформации силовоспринимающего элемента в электрический сигнал в виде бесконтактного датчика угла поворота центрального участка силовоспринимающего элемента. Таким образом, в предлагаемом устройстве отсутствуют какие-либо механические связи между центральным участком силовоспринимающего элемента и преобразователем деформации силовоспринимающего элемента в электрический сигнал, что позволяет отказаться от использования в устройстве тензорезисторных преобразователей и обеспечить при этом повышенную помехозащищенность за счет исключения влияния внешних электромагнитных полей на выходной сигнал преобразователя деформации силовоспринимающего элемента, и устойчивость к внешним воздействиям в течение всего срока эксплуатации.
Выполнение преобразователя возвратно-поступательного движения силовводящих участков силовоспринимающего элемента во вращательное движение его центрального участка в виде одного зигзагообразного элемента, средняя часть которого образует центральный участок силовоспринимающего элемента, позволяет изготовить указанный преобразователь в виде одной детали без каких-либо кинематических связей, которым свойственны, как правило, люфты, снижающие точность измерения.
Выполнение силовводящих участков силовоспринимающего элемента и преобразователя возвратно-поступательного движения силовводящих участков силовоспринимающего элемента во вращательное движение его центрального участка за одно целое из металлической полосы упрощает конструкцию силовоспринимающего элемента и технологию его изготовления, так как для изготовления силовоспринимающего элемента можно использовать стандартные профили и стандартное штамповочное или гибочное оборудование.
Выполнение бесконтактного датчика угла поворота центрального участка силовоспринимающего элемента в виде магнитного энкодера (магнитного углового датчика), включающего интегральную микросхему-преобразователь и закрепленный на центральном участке силовоспринимающего элемента с зазором относительно микросхемы-преобразователя постоянный магнит, линии магнитной индукции которого параллельны плоскости микросхемы-преобразователя, повышает точность измерения усилий, так как магнитные энкодеры, использующие бесконтактную технологию на основе эффекта Холла, позволяют определять с высоким угловым разрешением абсолютное положение центрального участка силовоспринимающего элемента. При этом магнитные энкодеры обеспечивают свободные от помех выходные сигналы, устойчивы к внешним воздействиям и могут работать в достаточно широком диапазоне температур: от - 40 до +125°С, а ресурс магнитного энкодера превышает 25 лет при работе в более узком диапазоне температур (от - 40 до +55°С), что вполне
удовлетворяет требованиям, предъявляемым к датчикам линейных перемещений, используемым, в частности, в грузоподъемных машинах.
Снабжение устройства цилиндрическим корпусом, в стенке которого выполнены две диаметрально расположенные прорези, через которые пропущены концевые силовводящие участки силовоспринимающего элемента, и снабжение самого корпуса крышкой, на которой закреплен электроразъем для подключения устройства к регистрирующей аппаратуре, обеспечивает защиту устройства от воздействия окружающей среды, при этом выполнение корпуса составным из двух соединенных между собой чашек с соосно установленными в них подшипниками, жесткое закрепление на центральном участке опорного элемента с расположенными на его торцах шипами, установленными в указанных подшипниках, обеспечивает неизменность характера деформации зигзагообразного элемента при нагружении устройства измеряемым усилием, а закрепление на торце одного из указанных шипов постоянного магнита и указанное расположение микросхемы-преобразователя позволяет в полной мере использовать преимущества магнитного энкодера за счет точного позиционирования его элементов друг относительно друга при приложении к устройству как сжимающих, так и растягивающих усилий.
Снабжение устройства двумя дополнительными упругими силовоспринимающим элементами в виде охватывающих корпус скоб, концы которых жестко соединены с силовводящими участками пропущенного через корпус силовоспринимающего элемента, приводит к перераспределению усилий между тремя силовоспринимающими элементами, при этом основное усилие воспринимают элементы в виде скоб, а о величине продольных усилий судят по деформации зигзагообразного элемента, что повышает точность измерений и исключает возможность разрушения зигзагообразного элемента при приложении к устройству значительных продольных усилий (до нескольких тонн).
Технический результат, получаемый при использовании полезной модели, заключается в повышении помехозащищенности устройства и устойчивости к внешним воздействиям в течение всего срока эксплуатации.
На фиг.1 представлен первый пример реализации предлагаемого устройства; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - место Б на фиг.1; на фиг.4 - второй пример реализации устройства; на фиг.5 - сечение В-В на фиг.4.
Устройство содержит корпус 1, через который пропущен упругий силовоспринимающий элемент 2, имеющий два концевых силовводящих участка 3 и 4 и центральный участок 5. Устройство снабжено преобразователем 6 возвратно-поступательного движения силовводящих участков 3 и 4 силовоспринимающего элемента 2 во вращательное движение его центрального участка 5, и преобразователем 7 деформации силовоспринимающего элемента в электрический сигнал.
Корпус 1 выполнен цилиндрическим и стоит из двух соединенных между собой частей в виде чашек 8 и 9 с соосно установленными в них подшипниками 10. В стенке корпуса 1 выполнены две диаметрально расположенные прорези 11, через которые пропущены концевые силовводящие участки 3 и 4 силовоспринимающего элемента 2. Корпус 1 снабжен крышкой 12, на которой закреплен электроразъем 13 для подключения устройства к регистрирующей аппаратуре. Чашки 8 и 9 корпуса и крышка 12 соединены между собой с помощью резьбовых крепежных элементов (на чертеже не показаны).
Преобразователь 6 возвратно-поступательного движения силовводящих участков силовоспринимающего элемента 2 во вращательное движение его центрального участка 5 представляет собой зигзагообразный элемент, средняя часть которого образует центральный участок 5 силовоспринимающего элемента. Силовводящие участки 3 и 4 и преобразователь 6 выполнены за одно целое из металлической полосы. На силовводящих участках 3 и 4 силовоспринимающего элемента 2 выполнены отверстия 14 для соединения устройства, в частности, с тросовой подвеской грузоподъемного крана, или с
другими силопередающими элементами оборудования, а на центральном участке 5 закреплен с помощью пластины 15, болтов 16 и гаек 17 опорный элемент 18 с двумя соосно расположенными на его торцах шипами 19, установленными в подшипниках 10.
Преобразователь 7 деформации силовоспринимающего элемента в электрический сигнал, выполнен в виде магнитного энкодера, включающего интегральную микросхему-преобразователь 20 и закрепленный с помощью клея на торце одного из шипов 19 постоянный магнит 21. Магнит 21, имеющий цилиндрическую форму и диаметральную поляризацию, расположен на небольшом расстоянии (около 1 мм) относительно микросхемы-преобразователя 20. Между торцом чашки 8 и крышкой 12 расположена герметизирующая шайба 22. Линии магнитной индукции магнита 21 параллельны плоскости микросхемы-преобразователя 20. Микросхема-преобразователь 20 смонтирована на печатной плате 23, размещенной в полости крышки 12. Печатная плата 23 соединена с электроразъемом 13 для подключения устройства к регистрирующей аппаратуре.
Для создания бесконтактного датчика угла поворота центрального участка силовоспринимающего элемента могут быть использованы различные серийно выпускаемые микросхемы-преобразователи, использование которых определяется системой управления машины, например, АМ256/АМ512В, разрабатываемые и выпускаемые фирмой «TLC d.o.o» (Словения). В данных датчиках форматы выходного сигнала соответствуют распространенным промышленным стандартам. Постоянный магнит может иметь как цилиндрическую, так и прямоугольную форму.
Устройство работает следующим образом.
Измеряемое усилие прикладывается к концевым силовводящим участкам. Под действием продольного усилия центральный участок 5 силовоспринимающего элемента 2 поворачивается. Микросхема-преобразователь 20 считывает угловое положение расположенного рядом с ней постоянного магнита 21. Матрица работающих на эффекте Холла
сенсоров регистрирует распределение потока магнитного поля на поверхности полупроводникового кристалла. Преобразователи Холла находятся на окружности, центр которой совпадает с центром микросхемы-преобразователя 20, преобразующей распределение магнитного поля в электрическое напряжение. Уровень напряжения промежуточного выходного сигнала меняется по закону синуса и косинуса в зависимости от углового положения магнита. Быстродействующий интерполятор преобразует этот сигнал в код, несущий информацию об абсолютном угловом положении. Дальнейшее преобразование базового сигнала позволяет получать выходные сигналы различного формата, соответствующие измеряемому усилию.
Предлагаемый датчик можно использовать для измерения как сжимающих, так и растягивающих усилий при любой его пространственной ориентации.
Описанное устройство является лишь частным примером реализации предлагаемой полезной модели. Понятно, что в зависимости от типа крана, подъемника или другой машины может меняться конструкция устройства и его основных узлов при сохранении сути предложенной полезной модели.
На фиг.4 показано устройство, снабженное двумя дополнительными упругими силовоспринимающими элементами в виде охватывающих корпус скоб 24 и 25, концы которых жестко соединены с силовводящими участками 3 и 4 силовоспринимающего элемента 2 с помощью болтов 26 и гаек 27. Возможно, также, и непосредственное соединение концов скоб 23 и 24 совместно с силовводящими участками 3 и 4 силовоспринимающего элемента 2 с тросовой подвеской грузоподъемного крана или с другими силопередающими элементами оборудования.
При приложении к устройству значительных усилий (до нескольких тонн) наибольшее усилие воспринимают скобы 24 и 25, а измеряемое усилие определяется по деформации зигзагообразного элемента, что повышает точность измерения продольных усилий и исключает возможность разрушения зигзагообразного элемента.
Предлагаемое устройство может быть изготовлено промышленным способом на приборостроительном предприятии с использованием современных электронных компонентов и технологий.