THE STUDY OF WEIGHT MEASURING DEVICES BASED ON RING OF ELASTIC SENSITIVE ELEMENT AND SECONDARY SENSOR STRING

全文:

Введение. Вторичные датчики, применяемые в ве- соизмерительных устройствах с первичными упруги- ми элементами (УЭ), характеризуются большим раз- нообразием принципов преобразования перемещений УЭ. При выборе датчика необходимо решить взаимо- противоречащие задачи: минимизировать возможные погрешности и инерционность измерения, а также максимально упростить устройство, сделать его более надежным и чувствительным к изменению нагрузки. Недостатком большинства вторичных датчиков (ин- дуктивных, емкостных), применяемых в современных весоизмерительных устройствах [1], является анало- говый принцип действия. Для устранения этого недостатка в конструкцию устройств встраивают преобразователи - блоки, переводящие сигнал из ана- логового в частотный. Эти устройства имеют очень слабый выходной сигнал (порядка мВ), и для вывода его на необходимый уровень применяются усилители. Наличие в цепи преобразования сигналов большого количества дополнительных звеньев существенно снижает [2; 3] точность измерения. Предлагаемое весоизмерительное устройство с использованием вторичного струнного датчика. Для весоизмерительных устройств (ВУ) целесообраз- но [4; 5] применение струнного датчика (СД), который обладает высокой точностью и малой инерционно- стью. Погрешность СД от гистерезиса не превышает 5 г на 15 кг приложенного веса. Нами были спроектиро- ваны конструкции весоизмерительных устройств на основе упругого кольца и встроенного в него струнного датчика. Эскиз первой конструкции ВУ изображен на рис. 1. Упругое кольцо 1 воспринимает приложенную нагрузку через рым-болт 6 и гайку 7, крепящиеся башмаками 3. Под нагрузкой кольцо деформируется: по вертикальной оси растягивается, а по горизонтальной - сжимается. Особенность уст- ройства в том, что струнный датчик 2, работающий на сжатие, воспринимает деформации кольца по вер- тикальной оси. Это возможно из-за применения спе- циальных уголков 4, 5, преобразующих растягиваю- щее напряжение на кольце в сжимающее на струнном датчике. Подобная конструкция позволяет получить минимальные габаритные размеры устройства, не усложняя его конструкцию. Крепление всех элементов между собой произво- дится болтами 8, при этом рычаг, воспринимающий нагрузку, регулируется гайкой 9. При необходимости, для устранения зазоров в местах контакта уголков с башмаками в струнном датчике могут быть исполь- зованы металлические прокладки. Это значительно упрощает сборку и предварительную настройку весо- измерителя и позволяет снизить себестоимость сбо- рочных элементов, назначив экономически приемле- мые допуски. Конструкция ВУ, эскиз которого изображен на рис. 2, имеет две отличительные особенности: струн- ный датчик 2 воспринимает сжимающие деформа- ции кольца 1 через стоящие враспор башмаки 3; баш- маки не имеют жесткого крепления и лишь фиксируют- ся винтами 4. Данная схема позволяет переставлять датчик в кольце по различным осям, изменяя чувстви- тельность устройства при постоянной нагрузке, делая его более универсальным в отличие от первой конст- рукции, и дает возможность измерять приложенную силу в более широких диапазонах с одинаковой точностью. Универсальность второй конструкции несколько снижает точность устройства за счет мень- шей жесткости контакта между кольцом и башмаками и его быстродействие за счет меньшей жесткости упругого кольца. Струнный датчик, применяемый в ВУ, изготовлен из прецизионного сплава 44НХТЮ. Метрологические характеристики датчика представ- лены в табл. 1. Струнный датчик обладает минималь- ными значениями упругих несовершенств [6; 7]. Упругие несовершенства материала УЭ выглядят следующим образом: прямое упругое последействие 0,08 %, об- ратное упругое последействие 0,02 %, гистерезис 0,07 %. Исследование параметров весоизмерительного устройства на базе вторичного струнного датчика. Конструкция ВУ имеет множество элементов, сни- жающих его точность [8] и увеличивающих величины данных погрешностей. Рассмотрим восприимчивость весоизмерительного устройства к приложенной силе и определим погрешности измерения. Для этого ВУ будем нагружать согласно его служебному назначе- нию. ВУ нагружали до 500 кг и с помощью частото- мера регистрировали частоту колебаний струны дат- чика. На рис. 3 показана функция преобразования весоизмерителя конструкции № 1, изображена зави- симость периода колебания струны датчика от растя- гивающей силы. Измерения показали, что разработанное устройст- во действительно имеет значения упругих несовер- шенств значительно большие, чем у составляющих его элементов. Появление данных погрешностей вызывается множеством факторов. Это и различного рода упругие несовершенства материала деталей, из которых состоит ВУ, и недостаточная жесткость их конструкций. Однако наибольшее влияние [9] на точ- ностные характеристики весоизмерителя оказывают стыки, присутствующие в его конструкции. Рис. 1. Эскиз весоизмерительного устройства. Конструкция № 1 Fig. 1. The sketch of weight measuring devices. Scheme #1 Рис. 2. Эскиз весоизмерительного устройства. Конструкция № 2 Fig. 2. The sketch of weight measuring devices. Scheme #2 Таблица 1 Метрологические характеристики струнного датчика Максимальная нагрузка Рн, кг 15 Максимальный гистерезис в диапазоне 0-Рн, гр не более 5 Выходной сигнал импульсной формы положительного полезного напряжения, не менее, В 3,5 Время готовности после включения, мин 3 Напряжение питания, В +(5 + 0,2) Масса, не более, кг 1,3 Рис. 3. Зависимость периода колебания струны датчика от величины приложенной силы: 1 - при нагружении; 2 - при разгружении Fig. 3. Dependence of vibration period of measuring device hanger on the amount of applied force: 1 - when subjected to loadings; 2 - after unloading При проведении исследований [10] весоизмери- тельного устройства мы уделяли особое внимание зоне минимальных нагрузок (от 0 до 50 кг), чтобы определить нижний предел чувствительности нашего прибора. Как уже отмечалось, струнный датчик обла- дает огромной чувствительностью (возможность регистрации приращения веса около 0,05 г), поэтому чувствительность весоизмерителя будет целиком определяться жесткостью упругого кольца. Результа- ты измерений приведены в табл. 2. Полученные погрешности являются допустимыми, однако при хранении, транспортировании, использо- вании весоизмерителя правила его эксплуатации могут быть серьезно нарушены, что повлечет за собой появление уже недопустимых отклонений. Для опре- деления наиболее слабых мест конструкции проведем проверочные расчеты упругого кольца. Основную опасность могут представлять случаи нагружения устройства сверх положенного веса. Допускаемое напряжение [σ] находим с учетом коэф- фициента запаса в зависимости от режимов нагрузки (табл. 3): [s] = s . ns Исходя из служебного назначения, выбираем вто- рой режим нагружения, откуда получаем [σ] = 880/4 = = 220 МПа. Рассчитаем максимальное напряжение в сечении выбранного кольца при приложении троекратной нагрузки: Из расчета видно, что кольцо с принятыми пара- метрами выдерживает перегрузки, значительно превос- ходящие номинальное значение. Однако необходим не только прочностной расчет элементов ВУ, но и проверка работоспособности струнного датчика при таком воздействии [11; 12]. Устройство, даже после возможной перегрузки, должно полностью сохранять все настройки, четко выполнять свое служебное назначение. Следователь- но, требуется специальная проверка точностных ха- рактеристик устройства при подобном нарушении правил эксплуатации, потому что весоизмеритель может вообще выйти из строя как контрольно- измерительный прибор. Для определения работоспо- собности ВУ мы произвели нагружение разработан- ной конструкции сверх допустимого веса. Результаты нагружения представлены на рис. 4 в виде двух зави- симостей: 1 - изменение периода колебаний струны от приложенной силы; 2 - изменение деформации УК от приложенной силы. Зона I - предел измерения ве- соизмерителя. Очевидно, что обе зависимости имеют практически линейный закон распределения. Некоторую нелинейность можно объяснить упругими несовер- шенствами материала упругого кольца. Увеличение нагрузки (зона II) приводит к возрас- танию погрешности измерения, снижает точность устройства. Превышение нагрузки на 70-80 % от верхнего предела измерения вызывает неустойчивую работу весоизмерителя, появляется вероятность сбоя, а при перегрузке более чем в ≈ 2,2 раза струнный дат- чик перестает работать, так как собственная частота струны начинает хаотично изменяться, и процессор s= P = F 15000 0, 007 × 0, 04 = 53, 57 МПа . просто не в состоянии ее обработать. Тем не менее, такие перегрузки не ведут к поломке устройства. После снятия нагрузки и некоторого времени релак- сации напряжений (порядка 15-25 с) весоизмеритель возвращается в свое первоначальное состояние без B × d 3 0 x d= b × h3 × E × P = каких-либо отклонений. Дальнейшее увеличение приложенной силы ведет к значительному росту величины гистерезиса и упру- = 0, 224 × 0,1373 0, 04 × 0, 0073 × 2,1×1011 ×15000 = 2, 79 мм, гого последействия, а превышение в 2,8 раза может вывести струнный датчик из строя. Определим кри- тическую величину деформации упругого кольца при растягивающей силе Р = 15 000 Н: где Вx - конструктивный коэффициент чувствитель- ности; d0 - внутренний диаметр кольца, мм; b - ширина кольца, мм; h - толщина кольца, мм. Характеристики силоизмерительного устройства на основе упругого кольца и струнного датчика. Конструкция № 1 Таблица 2 Параметры Значение Предел измерения, кг 1, 3- 500 Минимальное регистрируемое приращение, кг 1-1,5 Максимально допустимая перегрузка, % 200 Максимальный гистерезис во всем диапазоне нагружения, не более, кг 5 Время затухания переходного процесса, с 1,2-1,6 Геометрические параметры упругого элемента, мм: средний диаметр, ширина, толщина 137 40 7 Питание Автономное Напряжение питания, В +(5 ± 0 , 2) Выходной сигнал импульса полезного напряжения, не менее, В 3,5 Время готовности после включения, мин 3 Масса, не более, кг 5 Рабочий диапазон температур, °С -30…+50 Таблица 3 Значения коэффициента запаса прочности при различных режимах нагрузки Режим нагрузки ση Постоянная нагрузка 2-2,5 Пульсирующая 3-4 Знакопеременная 8-10 Рис. 4. Определение максимально допустимых напряжений Fig. 4. Identifying of voltage capability При перегрузке ВУ в сильной мере проявляются погрешности, определяющие точность устройства [13]. Значение гистерезиса достигает 9,4 %; смещение ноля функции достигает 0,05 мм. Эти погрешности имеют такую же природу, как и рассмотренные ранее, только в данном случае из-за критического увеличе- ния приложенной силы величина их резко возрастает. Нами была также исследована разработанная конст- рукция № 2 универсального весоизмерителя. Отсутст- вие в этой конструкции стыков, работающих на рас- тяжение и на сдвиг, несколько снижает данную составляющую погрешности измерения. Особенность исследования этой конструкции состояла в необходи- мости определения осей деформации, по которым должен устанавливаться струнный датчик, чтобы изменить пределы измерения ВУ, а также зоны нуле- вой деформации. Схематичное расположение этих элементов представлено на рис. 5. Исследования проводились с учетом величины нормальной (0,5-0,6 мм) деформации упругого кольца, необходимой для устойчивой работы струнного датчи- ка и максимального использования его возможностей. Были выделены основные оси, установка по кото- рым струнного датчика изменяет характеристики уст- ройства в целом: I - горизонтальная ось весоизмерителя (φ = 0 град);. необходимая деформация упругого кольца достигает- ся при воздействии растягивающей силы 3000 Н; II - значение φ равно 5-7 град, воздействующая сила Р = 5000 Н; III - значение φ равно 19-22 град, воздействующая сила Р = 10 000 Н; IV - значение (φ равно 43-47 град, воздействующая сила Р = 15 000 Н; V - ось нулевой деформации (φ = 52-53 град). Более точные значения углов расположения осей будут рассчитаны при разработке процессора для универсального весоизмерителя. Основные характеристики универсального весо- измерительного устройства приведены в табл. 4. Возможность переустановки струнного датчика, несомненно, увеличивает область применения уст- ройства, однако необходимо учесть, что его универ- сальность негативно скажется на чувствительности и точностных характеристиках. Динамические характеристики весоизмери- тельного устройства на базе вторичного струнного датчика. Время затухания переходного процесса - величина, позволяющая охарактеризовать быстродей- ствие [14; 15] весоизмерительного устройства. Безы- нерционность весоизмерителя является одним из ос- новных показателей качества, поэтому при проекти- ровании конструкций устройств были проведены исследования зависимости времени затухания пере- ходного процесса от величины входного воздействия. Исследования проводились для двух режимов нагру- жения: 1 - плавное (на интервале 3-5 с) увеличение приложенной силы; 2 - ударное воздействие с после- действием. На рис. 6 представлено графическое изо- бражение колебательного периода первого устройства при различных значениях силовых воздействий. Методика исследования [14] заключалась в том, что собранное силоизмерительное устройство нагру- жали растягивающей силой величиной 500, 1000, 2000, З000, 4000, 5000 Н. Выходным параметром при этом измерении служит величина деформации УК. Рис. 5. Установочные оси в универсальном весоизмерителе Fig. 5. Guiding stubs of flexible weight measuring device Таблица 4 Характеристики универсального весоизмерителя Параметры Значения по осям установки I II III IV Предел измерения, кг 1-300 1-500 5-1000 25-1500 Минимальное регистрируемое приращение, кг 0,9-1 1-1,2 5-6 23-27 Максимальный гистерезис, кг 3,5 5,2 7,4 14,7 Время затухания переходного процесса, с 5-6 4-5 1-2 1 При ударном силовом воздействии время успокое- ния и амплитуда колебания переходного процесса резко возрастают. На рис. 7 произведено сравнение времени затухания переходного процесса при стати- ческих и ударных (заштриховано) нагрузках. Вторая конструкция весоизмерителя представляет собой более инерционную систему за счет меньшей жесткости упругого кольца. Этот универсальный весоизмеритель способен работать в различных диапазонах сил, причем, чем ниже верхний порог силы и у́же диапазон измерения, тем больше времени требуется системе, чтобы амплитуда затухающих колебаний стала меньше допустимой погрешности. На рис. 8 показано изменение времени затухания уни- версального ВУ в зависимости от угла расположения струнного датчика. Рис. 6. Время затухания переходного процесса системы весоизмерительного устройства при различном силовом воздействии Fig. 6. Decay time of transition process of weight measuring device under force impact Рис. 7. Увеличение времени затухания переходного процесса при ударных нагрузках Fig. 7. Increase of the decay time of transition process under impulse load Рис. 8. Зависимость времени затухания переходного процесса универсального ВУ от угла установки φ Fig. 8. Dependence of decay time of transition process of flexible weight measuring device on the angle of setting φ Заключение. Проведенные исследования разрабо- танных конструкций весоизмерительных устройств на основе кольцевого упругого элемента и вторичного струнного датчика подтвердили их работоспособ- ность в широком диапазоне нагрузок. Отмечены вы- сокая чувствительность и точность измерений. Вместе с тем показана негативная зависимость устройств от внешних возмущающих колебаний и относительно высокая инерционность, например, в сравнении с вто- ричным фотодатчиком.

作者简介

I. Antonets

Ulyanovsk State Technical University

32, Severnyy Venets, Ulyanovsk, 432027, Russian Federation

V. Borsoev

Ulyanovsk State Technical University

32, Severnyy Venets, Ulyanovsk, 432027, Russian Federation

A. Katsura

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

Email: pnk-sibsau@mail.ru
31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

S. Stepanov

Ulyanovsk State Technical University

32, Severnyy Venets, Ulyanovsk, 432027, Russian Federation

参考

补充文件