ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫЙ ДАТЧИК СИЛЫ

Полезная модель относится к силоизмерительной технике и может быть использована для измерения усилий, прилагаемых к полированному штоку станка-качалки штангового глубинного насоса, применяемого при нефтедобыче.
Известен тензорезисторный датчик усилия для динамометрирования скважинных штанговых насосов (патент RU 2221227, МПК G01L 1/22, дата публ. 10.01.2004), содержащий корпус и три упругих элемента, с тензорезисторами, упругие элементы выполнены в виде цилиндрических стержней со сферическими торцами и расположены в направляющих колодцах корпуса по окружности через углы 120 градусов, на боковой поверхности каждого упругого элемента попарно на противоположных сторонах установлены два нагрузочных и два компенсационных тензорезистора, все тензорезисторы соединены в мостовую схему, обеспечивающую суммирование нагрузки всех трех упругих элементов.
Недостатками известного устройства являются его сложность, трудоемкость изготовления корпуса с направляющими колодцами для установки в них упругих элементов, низкая надежность, отказ работы устройства в полевых условиях из-за попадания влаги в образующиеся зазоры между колодцами корпуса и упругими элементами и, как следствие, попадание влаги на тензорезисторы и отказ их работы.
Известен тензорезисторный датчик силы (патент RU 2145414, МПК G01L 1/22, дата публ. 10.02.2000), взятый в качестве прототипа, содержащий два параллельно расположенных упругих элемента, жестко соединенных между собой перемычкой с образованием П-образной конструкции, имеющих каждый нагружающую и опорную силовоспринимающие площадки, выполненные в виде плоской поверхности, и тензометрический полумост, образованный тензорезисторами, один из упругих элементов повернут относительно другого упругого элемента, при этом силовоспринимающие площадки развернуты относительно друг друга на 180 градусов и образуют со стороны нагружающей и опорной поверхностей трехточечные схемы нагружения.
Недостатком известного устройства является низкая точность измерений, обусловленная тем, что выполнение силовоспринимающих площадок в виде плоской поверхности не позволяет обеспечить устойчивого параллельного контакта с поверхностью траверс, обусловленную неровностью и непараллельностью поверхностей траверс, что снижает точность показаний тензорезисторного датчика.
Задача полезной модели - создание конструкции датчика, обеспечивающего высокую точность измерения усилий.
Технический результат, получаемый в результате решения задачи, состоит в повышении точности измерений устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в тензорезисторном датчике силы, содержащем два параллельно расположенных упругих элемента, жестко соединенных между собой перемычкой, имеющих каждый нагружающий и опорный силовоспринимающий элементы, тензометрический полумост, образованный тензорезисторами, установленными на наружных боковых поверхностях упругих элементов, при этом силовоспринимающие элементы развернуты относительно друг друга на 180 градусов и образуют со стороны нагружающей и опорной поверхностей трехточечные схемы нагружения, согласно полезной модели внутренняя поверхность перемычки упругих элементов выполнена цилиндрической, а силовоспринимающие элементы выполнены в виде шарового сегмента.
Выполнение внутренней поверхности перемычки упругих элементов цилиндрической позволяет повысить точность установки датчика на полированном штоке, спозиционировать силовоспринимающие элементы относительно штока, что повышает точность измерений тензорезисторного датчика.
Выполнение силовоспринимающих элементов в виде шарового сегмента позволяет с высокой точностью измерить силу сжатия, возникающую между траверсами, при этом погрешность показаний не зависит от непараллельности и неровности поверхностей траверс, что повышает точность показаний датчика.
Сравнение заявленного решения с прототипом и другими техническими решениями в данной области техники показывает, что изложенная совокупность признаков не известна из существующего уровня техники, на основании чего можно сделать вывод о его соответствии критерию полезной модели «новизна».
Соответствие заявленной полезной модели критерию «промышленная применимость» показано на примере конкретного выполнения устройства.
На фиг. 1 приведен общий вид тензорезисторного датчика силы, на фиг. 2 - вид слева датчика без крышки, на фиг. 3 - схема установки тензорезисторного датчика в узле канатной подвески станка-качалки.
Тензорезисторный датчик силы содержит упругие элементы 1 и 2, жестко соединенные перемычкой 3 (фиг. 1), которые выполнены в виде одной детали. На упругих элементах 1 и 2 размещены силовоспринимающие элементы 4, 5, 6 и 7, 8, 9 (фиг. 2), выполненные в виде шаровых сегментов, которые образуют две трехточечные схемы нагружения соответственно со стороны нагружающей и опорной поверхностей. Тензорезисторы 10, 11 входят в тензометрический полумост на упругом элементе 2 (на упругом элементе 1 тензорезисторы второго полумоста расположены аналогично). Тензорезисторы обоих полумостов на обоих упругих элементах 1 и 2 закрыты защитными элементами, выполненными в виде крышек 12. Крышки 12 закреплены на упругих элементах 1 и 2 с помощью винтов 13. Фиксатор 14 полированного штока станка-качалки, установлен между внутренними поверхностями упругих элементов 1 и 2 и закреплен на торцах упругих элементов 1 и 2 посредством выступов 15, выполненных на фиксаторе 14, с помощью винтов 16. Внутренние поверхности перемычки 3 упругих элементов 1 и 2 и фиксатора 14 полированного штока выполнены цилиндрическими.
Установку тензорезисторного датчика силы осуществляют следующим образом.
Тензорезисторный датчик силы устанавливают между верхней траверсой 17 (нагружающая поверхность) и нижней траверсой 18 (опорная поверхность) (фиг. 3), при этом полированный шток 19 проходит между двумя упругими элементами 1 и 2 таким образом, чтобы цилиндрическая поверхность перемычки 3 плотно прилегала к поверхности штока 19. Далее производят фиксацию полированного штока 19 с помощью фиксатора 14, закрепляя его на торцах упругих элементов 1 и 2 с помощью винтов 16. Троссы 20 и 21 узла канатной подвески при работе станка-качалки создают каждый усилия Р/2, направленные вверх, а полированный шток 19 - усилие Р, направленное вниз, при этом упругие элементы 1 и 2 тензорезисторного датчика силы сжимаются траверсами 17 и 18.
Благодаря трехточечной схеме нагружения, выполнению силовоспринимающих элементов 1 в виде шаровых сегментов, а также фиксации полированного штока станка-качалки в перемычке упругих элементов с внутренней цилиндрической поверхностью, тензорезисторный датчик силы устанавливается между верхней 17 и нижней 18 траверсами, обеспечивая высокую воспроизводимость и точность измерений.