Датчик усилия тензометрический
Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована, в частности, в устройствах для ограничения грузоподъемности машин и механизмов, а также в любом другом оборудовании, где требуется измерение приложенного усилия с повышенной защитой от воздействия окружающей среды. Датчик усилия тензометрический содержит силовоспринимающий элемент, имеющей две концевые опорные части с отверстиями под резьбовые крепежные элементы, и расположенную между ними силоприемную часть, соединенную с концевыми опорными частями с помощью упругих элементов, снабженных тензопреобразователями, и блок обработки сигналов с тензопреобразователей, выполненный на основе микроконтроллера. Силовоспринимающий элемент выполнен в виде балки с прямоугольным поперечным сечением, в боковых продольных стенках которой выполнены две пары идентичных встречно направленных несквозных выемок, разделенных вертикальными силоизмерительными перегородками. Пары выемок симметрично расположены относительно оси силовоспринимающей части, а на каждой перегородке закреплен, по крайней мере, один тензопреобразователь, регистрирующий деформацию сдвига. Полезная модель позволяет упростить конструкцию датчика и повысить его надежность. 8 з.п. ф-лы.
Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована, в частности, в устройствах для ограничения грузоподъемности машин и механизмов, а также в любом другом оборудовании, где требуется измерение приложенного усилия с повышенной защитой от воздействия окружающей среды.
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, 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. Недостатком данной конструкции датчика является также невысокая помехозащищенность от линий электропередач, грозовых разрядов и иных атмосферных явлений, а также при работе в условиях промышленных объектов: в непосредственной близости от мощных двигателей, сварочных агрегатов, коммутирующей аппаратуры, электроплавильных печей или других источников сильного электромагнитного излучения, так тензометрический преобразователь имеет низкий уровень выходного сигнала, а информационно-управляющий блок удален от тензометрического преобразователя.
Известен также датчик усилия тензометрический ограничителя грузоподъемности крана, представляющий собой встроенный 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. Тензорезисторы установлены на внутренней поверхности цилиндра, а электронное пороговое устройство расположено во внутренней полости цилиндра (RU 2081809, 20.06.1997). В данной конструкции измерительная база цилиндрического чувствительного элемента совпадает с расстоянием между центральным и боковыми опорными частями, которое полностью определяется компоновкой узла опоры грузового барабана на грузовой тележке крана, в силу чего абсолютная величина деформации чувствительного элемента очень маленькая. Малые размеры измерительной базы и малая величина деформации упругих балок снижают точность измерения усилий и соответственно понижают надежность ограничителя грузоподъемности.
Наиболее близким к предложенной полезной модели по совокупности существенных признаков является датчик усилия тензометрический, содержащий силовоспринимающий элемент, имеющей две концевые опорные части с отверстиями под резьбовые крепежные элементы, и расположенную между ними силоприемную часть, соединенную с концевыми опорными частями с помощью двух Ш-образных упругих подвесных элементов, тензопреобразователи, расположенные, по крайней мере, на одном упругом элементе и измеряющие изгибную деформацию упругой элемента, и блок обработки сигналов с тензопреобразователей, выполненный на основе микроконтроллера (RU 48183 U1, 27.09.2005).
Наличие в данном датчике Ш-образных упругих подвесных элементов существенно усложняет его конструкцию и увеличивает затраты на изготовление. При этом прорези в подвесных элементах и тензометрические преобразователи не защищены от прямого воздействия дождя и снега, поэтому в процессе эксплуатации датчика вне закрытых помещений при низких температурах возможно появление льда в прорезях упругих элементов и на поверхности тензопреобразователей, что снижает надежность датчика и усложняет его обслуживание. Причем в данной конструкции датчика сложно обеспечить повышенную защиту тензопреобразователей и Ш-образных упругих подвесных элементов, так как любая защита потребует введения дополнительных элементов в конструкцию датчика, либо радикального изменения конструкции самого силовоспринимающего элемента.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является разработка эффективного, простого в эксплуатации датчика усилия, обеспечивающего достаточно высокую точность при уменьшенных затратах на изготовление и минимальном контроле за силовоспринимающим элементом и тензопреобразователями в процессе эксплуатации. Другой задачей полезной модели является создание датчика усилий, имеющего повышенную защиту от воздействия внешней среды. Дополнительные решаемые задачи и преимущества заявленной полезной модели будут понятны из последующего описания.
Поставленные технические задачи решаются тем, что в датчике усилия тензометрическом, содержащем силовоспринимающий элемент, имеющей две концевые опорные части с отверстиями под резьбовые крепежные элементы, и расположенную между ними силоприемную часть, соединенную с концевыми опорными частями с помощью упругих элементов, снабженных тензопреобразователями, и блок обработки сигналов с тензопреобразователей, выполненный на основе микроконтроллера, согласно полезной модели, силовоспринимающий элемент выполнен в виде балки с прямоугольным поперечным сечением, в боковых продольных стенках которой выполнены две пары идентичных встречно направленных несквозных выемок, разделенных вертикальными силоизмерительными перегородками, при этом пары выемок симметрично расположены относительно оси силовоспринимающей части, а на каждой перегородке закреплен, по крайней мере, один тензопреобразователь, регистрирующий деформацию сдвига.
Достижению технического результата способствуют также частные существенные признаки полезной модели.
В каждой паре выемки разделены между собой тонкой вертикальной силоизмерительной перегородкой, на которой закреплен один тензопреобразователь, регистрирующий деформацию сдвига, и тензометрические преобразователи расположены с одной или разных сторон перегородок.
Предпочтительно, выемки выполнены в виде цилиндрических гнезд одинакового диаметра и глубины.
Предпочтительно, выемки с тензопреобразователями заполнены герметизирующим полимерным материалом.
В перегородках выполнены каналы для электропроводки к тензопреобразователям.
Блок обработки сигналов с тензопреобразователей содержит корпус, закрепленный на одной из продольных боковых поверхностей силовоспринимающего элемента с перекрытием расположенных на данной поверхности выемок с тензопреобразователями, и установленную в полости корпуса печатную плату, на которой смонтирован микроконтроллер, при этом на поверхности корпуса закреплен, по крайней мере, один разъем для соединения датчика с регистрирующей аппаратурой, а силовоспринимающий элемент снабжен крышкой, изолирующей полости выемок на противоположной боковой поверхности от воздействия внешней среды.
Силоприемная и концевые опорные части балки снабжены плоскими прямоугольными силопередающими элементами, ширина которых равна ширине балки.
Балка выполнена за одно целое с указанными силопередающими элементами.
На нижней поверхности балки между указанными силопередающими элементами закреплена эластичная прокладка, ширина которой равна ширине балки, а толщина - высоте силопередающих элементов.
Сущность предложенного технического решения заключается в том, что выполнение силовоспринимающего элемента в виде балки с прямоугольным поперечным сечением упрощает проектирование датчика, так как методики расчета деформаций балки прямоугольного поперечного сечения хорошо проработаны. Силовоспринимающий элемент датчика имеет простую геометрическую форму, что упрощает его изготовление и эксплуатацию, а расположенные в выемках тензопреобразователи достаточно хорошо защищены от случайных внешних воздействий.
Разделение в каждой паре выемок между собой тонкой вертикальной силоизмерительной перегородкой, на которой закреплен один тензопреобразователь, регистрирующий деформацию сдвига, с расположением тензометрических преобразователей с одной или разных сторон перегородок, позволяет сократить количество тензометрических преобразователей при использовании данного датчика для измерения малых усилий.
Выполнение выемок в виде цилиндрических гнезд одинакового диаметра и глубины упрощает проектирование и изготовление датчика
Выполнение в перегородках каналов для электропроводки к тензопреобразователям повышает надежность датчика, так как наиболее тонкие провода будут защищены от случайных внешних воздействий, а заполнение выемок с тензопреобразователями герметизирующим полимерным материалом повышает защищенность тензопреобразователей от внешних воздействий.
Расположение элементов блока обработки сигналов с тензопреобразователей в корпусе, закрепленном на одной из продольных боковых поверхностей силовоспринимающего элемента с перекрытием расположенных на данной поверхности выемок с тензопреобразователями, обеспечивает дополнительную защиту тензопреобразователей от внешних воздействий.
Закрепление на нижней поверхности балки между силопередающими элементами эластичной прокладки предотвращает возможность проникновения посторонних частиц в зазор между силоприемной частью и основанием, на которое опирается силовоспринимающий элемент датчика, как при монтаже датчика на оборудовании, так и при его эксплуатации, что повышает надежность датчика.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет упростить конструкцию датчика и повысить его надежность.
На фиг.1 показан предлагаемый датчик без крышек, защищающих тензопреобразователи, вид сбоку; на фиг.2 и 3 - виды А и Б на фиг.1; на фиг.4А и 4Б показаны поперечные сечения В-В на фиг.1 для двух примеров размещения тензопреобразователей на вертикальной силоизмерительной перегородке; на фиг.5 показаны виды Г, Д, Е и Ж на фиг.2; на фиг.6 и 7 - примеры соединения тензопреобразователей в электрический мост.
Датчик усилия тензометрический содержит силовоспринимающий элемент 1, имеющей две концевые опорные части 2 с отверстиями 3 под резьбовые крепежные элементы и расположенную между ними силоприемную часть 4.
Силовоспринимающий элемент 1 выполнен в виде балки с прямоугольным поперечным сечением. В боковых продольных стенках балки выполнены две пары идентичных встречно направленных несквозных выемок 5, разделенных вертикальными силоизмерительными перегородками 6. Пары выемок 5 симметрично расположены относительно поперечной оси 7 силоприемной части 4. На обеих поверхностях каждой вертикальной перегородки 6 закреплены тензопреобразователи 8, представляющие собой двухэлементные тензорезисторные розетки, регистрирующие деформацию сдвига. Каждый тензопреобразователь 8 состоит из двух соединенных резисторов. Резисторы R расположены на вертикальной перегородке 6 под углом 45º относительно продольной оси силовоспринимающего элемента 1 и под углом 90º друг относительно друга. При этом один резистор Rc подвергается воздействию сжимающих деформаций, а второй резистор Rt подвергается воздействию растягивающих деформаций. Предпочтительно, несквозные выемки 5 выполнены в виде цилиндрических гнезд одинакового диаметра и глубины. В перегородках 6 выполнены каналы 9 для электропроводки к тензопреобразователям 8.
Хотя в примере реализации полезной модели, приведенном на фиг.2 и 4А, тензопреобразователи 8 закреплены на обеих поверхностях вертикальной перегородки 6, для специалистов понятно, что в том случае, когда в каждой паре идентичные встречно направленные несквозные выемки 5 разделены между собой тонкой вертикальной силоизмерительной перегородкой (при обеспечении достаточного запаса прочности датчика в целом), возможна реализация полезной модели с использованием на силовоспринимающем элементе 1 в каждой паре выемок одного тензопреобразователя, закрепленного на одной из поверхностей вертикальной перегородки, как это показано на фиг.4Б, с расположением тензометрических преобразователей в каждой паре с одной или разных сторон перегородок 6.
Предпочтительно, полости выемок 5 заполнить герметизирующим полимерным материалом 10, закрывающим тензопреобразователи 8. Во втором варианте исполнения, показанном на фиг.4Б, герметизирующий полимерный материал заполняет только выемку, в которой расположен тензопреобразователь, но можно заполнить герметизирующим полимерным материалом и вторую выемку, в которой тензопреобразователя нет.
Датчик снабжен блоком 11 обработки сигналов с тензопреобразователей 8. Блок 11 содержит корпус 12, закрепленный на продольной боковой поверхности 13 силовоспринимающего элемента 1 с перекрытием расположенных на данной поверхности выемок 5 с тензопреобразователями 8, и установленную в полости 14 корпуса печатную плату 15, на которой смонтирован усилитель 16 сигналов, микроконтроллер 17 и согласующее устройство 18, преобразующее цифровые сигналы микроконтроллера в цифровой код последовательного интерфейса. На поверхности корпуса 12 закреплены два разъема 19 для соединения датчика с линией последовательного интерфейса, к которой подключаются регистрирующая аппаратура и другие датчики. Полости выемок 5 на противоположной боковой поверхности 20 силовоспринимающего элемента 1 изолированы от воздействия внешней среды с помощью крышек 21.
Силоприемная 4 и концевые опорные части 2 силовоспринимающего элемента 1 снабжены закрепленными на них плоскими прямоугольными силопередающими элементами 22 и 23, ширина которых предпочтительно равна ширине балки. На нижней поверхности балки между силопередающими элементами 23 закреплена эластичная прокладка 24, ширина которой предпочтительно равна ширине балки, а толщина предпочтительно - высоте силопередающих элементов 23. Возможно также выполнение силопередающих элементов 22 и 23 в виде приливов на балке.
Тензопреобразователи 8 соединены на печатной плате 15 блока 11 обработки сигналов в электрический мост, измерительная диагональ которого подключена к входу усилителя 16, выход которого подключен к входу микроконтроллера 17. Выход микроконтроллера подключен к входу согласующего устройства 18. Цифровой выход датчика подключается к регистрирующей аппаратуре, в частности, к управляющему устройству системы безопасности грузоподъемной машины, с помощью общего проводного или беспроводного последовательного интерфейсного канала.
Заявляемый датчик работает следующим образом.
Усилие Р, действующее на силоизмерительный элемент 1, воспринимается силоприемной частью 4 балки с закрепленными на ней тензопреобразователями 8. Деформация силоприемной части 4 балки передается на тензопреобразователи 8, что приводит к изменению их сопротивлений R и разбалансу электрического моста. Сигнал с измерительной диагонали моста поступает на вход усилителя 16. В микроконтроллере 17 производится преобразование выходного сигнала с усилителя 16 в цифровой сигнал, который преобразуется согласующим устройством 18 в цифровой код последовательного интерфейса.
Описанный датчик усилия является лишь частным примером осуществления полезной модели. При реализации датчика усилия могут использоваться также различные конструктивные исполнения ее элементов, отличающиеся от описанных в данной заявке и приведенных на рисунках, иллюстрирующих полезную модель.
Предлагаемый датчик может быть изготовлен промышленным способом на заводах, выпускающих оборудование для грузоподъемных машин. В датчике могут быть использованы тензорезисторы типа КФ5Р2 фирмы ООО «ВЕДА» (Украина), или другие тензорезисторы подобного типа. Для реализации блока обработки сигналов с тензорезисторов можно использовать перепрограммируемый микроконтроллер MSP430F149 фирмы "Texas Instruments" (США) или другие микроконтроллеры подобного типа. В качестве усилителя можно использовать микросхему AD623AR фирмы Analog Devices, а согласующее устройство можно реализовать на базе микросхемы TJA1050.
1. Датчик усилия тензометрический, содержащий силовоспринимающий элемент, имеющий две концевые опорные части с отверстиями под резьбовые крепежные элементы и расположенную между ними силоприемную часть, соединенную с концевыми опорными частями с помощью упругих элементов, снабженных тензопреобразователями, и блок обработки сигналов с тензопреобразователей, выполненный на основе микроконтроллера, отличающийся тем, что силовоспринимающий элемент выполнен в виде балки с прямоугольным поперечным сечением, в боковых продольных стенках которой выполнены две пары идентичных встречно направленных несквозных выемок, разделенных вертикальными силоизмерительными перегородками, при этом пары выемок симметрично расположены относительно оси силовоспринимающей части, а на каждой перегородке закреплен, по крайней мере, один тензопреобразователь, регистрирующий деформацию сдвига.
2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что в каждой паре выемки разделены между собой тонкой вертикальной силоизмерительной перегородкой, на которой закреплен один тензопреобразователь, регистрирующий деформацию сдвига, и тензометрические преобразователи расположены с одной или разных сторон перегородок.
3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что выемки выполнены в виде цилиндрических гнезд одинакового диаметра и глубины.
4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что выемки с тензопреобразователями заполнены герметизирующим полимерным материалом.
5. Датчик по п.1, отличающийся тем, что в перегородках выполнены каналы для электропроводки к тензопреобразователям.
6. Датчик по п.1, отличающийся тем, что блок обработки сигналов с тензопреобразователей содержит корпус, закрепленный на одной из продольных боковых поверхностей силовоспринимающего элемента с перекрытием расположенных на данной поверхности выемок с тензопреобразователями, и установленную в полости корпуса печатную плату, на которой смонтирован микроконтроллер, при этом на поверхности корпуса закреплен, по крайней мере, один разъем для соединения датчика с регистрирующей аппаратурой, а силовоспринимающий элемент снабжен крышкой, изолирующей полости выемок на противоположной боковой поверхности от воздействия внешней среды.
7. Датчик по п.1, отличающийся тем, что силоприемная и концевые опорные части балки снабжены плоскими прямоугольными силопередающими элементами, ширина которых равна ширине балки.
8. Датчик по п.7, отличающийся тем, что балка выполнена за одно целое с указанными силопередающими элементами.
9. Датчик по пп.7 и 8, отличающийся тем, что на нижней поверхности балки между указанными силопередающими элементами закреплена эластичная прокладка, ширина которой равна ширине балки, а толщина - высоте силопередающих элементов.
