Весоизмерительное устройство
Полезная модель относится к весоизмерительной технике с использованием чувствительных элементов из проводниковых и полупроводниковых тензодатчиков.
Технический результат заключается в расширении области применения весоизмерительных устройств, благодаря повышенной чувствительности и точности измерения нагрузки на чашку весов.
Поставленная задача достигается за счет того, что в весоизмерительном устройстве, содержащем корпус, на котором установлен упругий чувствительный элемент в виде консольной балки с тензодатчиками, связанными с измерительным блоком, и подвешенную на консольную балку чашку для размещения взвешиваемого груза, в устройство введен упругий чувствительный элемент, изготовленный в виде профилированной балки с утолщенными периферийными и утонченными центральными частями с двумя парами тензодатчиков, монолитно связанными через слой окисла металла с внешней поверхностью утонченных частей балки.
Полезная модель относится к весоизмерительной технике с использованием чувствительных элементов из проводниковых и полупроводниковых тензодатчиков.
Известно весоизмерительное устройство, содержащее закрепленную на жесткой хвостовой державке упругую систему в виде балки на двух опорах с наклеенными на ней тензодатчиками. Они измеряют деформацию от продольного момента и расположены на одной половине балки, более удаленной от жесткой хвостовой державки. (Авторское свидетельство СССР №449252, Кл. G01g 3/12, заявлено 10.10.72, опубликовано 05.11.74).
Однако, наличие в этих весах большого количества проводов, соединяющих в схему множество прикрепленных тензодатчиков, приводит к существенной погрешности измерений, так как диапазон изменения сопротивления тензодатчиков в этой конструкции не превышает нескольких десятков процента от номинала и ниже сопротивления проводов, соединяющих датчик с измерительной аппаратурой, и разброса номинальных сопротивлений тензодатчиков. Кроме того, сама конструкция упругой системы очень сложна и высока трудоемкость ее изготовления.
Известно весоизмерительное устройство в виде металлической изгибаемой балки с защитным изоляционным покрытием, к которому на рабочих сторонах балки с помощью слоя клея присоединены полимерные подложки с размещенными на них фольговыми тензодатчиками, соединенными в мостовую схему (Весоизмерительная компания «Тензо-М». Т60А - Алюминиевый датчик типа «платформа». Т24А - Низкопрофильный алюминиевый датчик типа «параллелограмм». Электронный ресурс, 2006 г. Режим доступа: http//www.tenzo-m.ru/goods/sensors/t60a/; http/www.tenzo-m.ru/goods/sensors/t24a/).
Однако, использование в качестве защитного покрытия слоя герметика, а также слоя клея на полимерной основе для приклеивания
полимерной подложки, обладающих не только упругими, но и высокоэластичными и пластическими свойствами, приводит к зависимости констант упругости подложки и связующей основы (клея) от времени - релаксационным явлениям. При этом соответственно изменяются во времени возникающие при передаче деформации сдвиговые напряжения и их распределение по длине чувствительного элемента и, следовательно, меняется коэффициент передачи деформации и выходной сигнал датчика. Причем, погрешности за счет временных изменений вносят заметный вклад в погрешность измерения, значит, не обеспечивает высокой точности.
Наиболее близким к заявляемому устройству является весоизмерительное устройство, служащее прототипом (Авторское свидетельство №1631303 заявлено 10.12.87, опубликовано 28.02.91.), содержащее корпус, на котором установлен упругий чувствительный элемент в виде консольной балки с тензодатчиком, связанным с измерительным усилителем и подстроечным элементом, и подвешенную на консольной балке чашку с механизмом разгрузки и опорой для гашения колебаний. При наложении взвешиваемого груза на чашку, под действием веса груза упругий чувствительный элемент изгибается, вызывая на выходах полупроводникового тензодатчика приращение уровня сигнала, пропорциональное весу груза. Конструктивно тензодатчик представляет собой элемент из тензочувствительного материала на подложке. При этом деформация исследуемой конструкции, переданная материалом связующего подложки на чувствительный элемент, приводит к изменению его сопротивления, функционально зависимого от деформации вдоль главной оси тензодатчика.
Однако, это устройство имеет недостаточную чувствительность и большую погрешность измерений нагрузки на чашку весов. (См. книгу Н.П.Клокова. Тензорезисторы. /М.: «Машиностроение», 1990 г. - С.6). Подложка и слой клея не обеспечивают длительной стабильности характеристик и, кроме того, релаксационные процессы в связующем полимерном слое клея определяют такие характеристики, как ползучесть и механический гистерезис, которые искажают измеряемые значения чувствительности, приводят к нелинейности статической характеристики преобразования и невоспроизводимости температурной характеристики. А при длительной деформации в полимерных материалах протекают процессы перемещения внутри молекул, комплексных групп и т.д. и перемещения
самих молекул, частиц и целых комплексов, которые приводят к необратимым пластическим течениям материала и связанной с этим длительной ползучести. Из теории полимеров (см. книгу Алфей Т. Механические свойства полимеров. /М.: Изд-во Иностранной лит., 1952. - С.589; см. книгу Постникова B.C., Гордиенко Л.К. Механизм релаксационных явлений в твердом теле. /М.: Наука, 1972. - С.29) известно, что гистерезисные явления в них определяются различными причинами, важнейшими из которых являются релаксационные процессы, связанные с временными процессами вязкоупругости и текучести. И такой вид гистерезиса проявляется при любом цикле нагружения-разгружения. Кроме этих явлений гистерезис в полимерных материалах может определяться также механическими процессами, связанными с разрушением молекул и молекулярных связей, а также тепловыми эффектами при деформации. Все это в совокупности ограничивает чувствительность и точность измерения нагрузки на чашку весов.
Задачей настоящей полезной модели является повышение чувствительности и точности измерения нагрузки на чашку весов.
Поставленная задача достигается тем, что в весоизмерительном устройстве, содержащем корпус, на котором установлен упругий чувствительный элемент в виде консольной балки с тензодатчиком, связанным с измерительным блоком, и подвешенную на консольной балке чашку для размещения взвешиваемого груза, упругий чувствительный элемент представляет собой профилированную балку с утолщенными периферийными и утонченными центральными частями с тензодатчиками, монолитно связанными с утонченными частями балки. Две пары тензодатчиков, расположенных на противоположных поверхностях утонченных частей профилированной балки, соединены в мостовую схему и подключены к измерительному блоку.
Устройство представлено на фиг.1 (вид сверху), фиг.2 (вид сбоку) и фиг.3 - фотография упругого элемента, предлагаемого весоизмерительного устройства во время испытаний.
Весоизмерительное устройство (фиг.1, 2) содержит упругий чувствительный элемент в виде консольной профилированной балки 1 с утолщенными на концах частями 2 и утонченными в центре частями 3, с резьбовыми отверстиями 4 для крепления балки 1 к основанию корпуса 5, чашку 6 для размещения взвешиваемого груза, двух пар тензодатчиков 7, монолитно связанных с консольной профилированной балкой 1 на двух внешних сторонах утонченных
частей 3 балки 1, два винта 8 для консольного крепления балки к основанию корпуса 5 и винта 9 для закрепления чашки 6 к профилированной балке 1, слой окисла металла 10 для монолитного соединения тензодатчиков 7 с балкой 1, измерительный блок 11, соединенный с тензодатчиками 7.
Устройство работает следующим образом. Взвешиваемое вещество или материал, располагаемое на чашке 6, воздействует на утолщенную часть 2 свободного конца балки 1. В результате возникает сила, которая деформирует балку 1. При этом возникшие деформации в утонченных частях 3 балки 1 передаются тензодатчикам 7, монолитно соединенных с помощью слоя окисла 10 с балкой 1. Тензодатчики воспринимают деформации и их сопротивление изменяется пропорционально измеряемому весу. Так как тензодатчики соединены в мостовую схему, то на выходе последней формулируется сигнал, пропорциональный сумме изменений сопротивлений отдельных тензодатчиков, который преобразуется электронной схемой измерительного блока 11 в удобный для использования и представления результата взвешивания в цифровой форме на индикаторной панели. На фиг.3 представлена фотография упругого чувствительного элемента весоизмерительного устройства во время испытаний.
Монолитное соединение тензодатчиков с поверхностью упругого чувствительного элемента весоизмерительного устройства в месте измерения деформаций балки исключило наличие связующего слоя, малая масса и толщина тензодатчика обеспечила практически безынерционность измерения деформаций. Испытание весоизмерительного устройства показало, что по сравнению с приклеиваемыми как у прототипа полупроводниковыми тензодатчиками, размещенными на полимерных подложках, при одинаковых значениях номиналов и базы датчиков l коэффициент чувствительности К у сформированных тензодатчиков, представляющий собой отношение относительного изменения сопротивления 
R/R к относительному изменению базы датчиков l/l в направлении базы измерения, составил 3,5÷0,02, тогда как у приклеиваемых тензодатчиков значения К равнялось 1,5÷0,02. Погрешность измерения по отношению к прототипу снижена до 0,1%.
Таким образом, использование предлагаемой полезной модели позволило исключить связующий слой в весоизмерительном устройстве, уменьшить его инерционность, тем самым повысить чувствительность и точность измерения нагрузки на чашку весов.
Весоизмерительное устройство, содержащее корпус, на котором установлен упругий чувствительный элемент в виде консольной балки с тензодатчиками, связанными с измерительным блоком, и подвешенную на консольной балке чашку для размещения взвешиваемого груза, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности и точности измерения нагрузки на чашку весов, упругий чувствительный элемент изготовлен в виде профилированной балки с утолщенными периферийными и утонченными центральными частями с двумя парами тензодатчиков, монолитно связанными через слой окисла металла с внешней поверхностью утонченных частей балки.
