Теглоизмервателни системи

Измервателна техникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 4, 2007

Теглоизмервателни системиТеглоизмервателни системиТеглоизмервателни системиТеглоизмервателни системиТеглоизмервателни системи
 

Принцип на работа на динамометрични датчици, монтажни възли на теглоизмервателни системи

Малко са индустриалните области, в които определени етапи от технологичните процеси да не са свързани с необходимостта от измерване, а често и дозиране на теглото на определени вещества. Широката приложна област на теглоизмервателните системи е основна причина за пазарното многообразие от марки и модели прибори и системи, предназначени за измерване на тегло. Иначе, всеки специалист в областта знае, че теглоизмервателните системи са два основни вида според състоянието на измерваното вещество - статични, при които веществото е в статично състояние, и динамични, при които в процеса на измерване веществото е в състояние на движение. Поради обширността на темата и всички свързани с нея метрологични, конструктивни и приложни особености на отделните видове теглоизмервателни системи, в настоящата статия ще обърнем внимание накратко на принципа на работа на динамометричните датчици, които се използват широко за измерване на тегло, и някои конструкции монтажни възли. Ще продължим темата в следващи броеве на сп. Инженеринг ревю с избора на брой динамометрични датчици в зависимост от необходимата точност на измерване и спецификите на теглоизмервателните системи за динамични измервания.

Принцип на работа

Динамометричните датчици, наричани още товарови клетки, представляват сензори, които преобразуват механични променливи, включително тегло, в електрически сигнал. Основният елемент в конструкцията на динамометричните датчици представлява пружинно тяло, към което е запресован тензодатчик. Тензодатчиците са изработени от тънък слой изолационен материал, върху който е отложено съпротивително покритие. Принципът на действие на един динамометричен датчик е показан на фиг. 1. Под въздействието на определена сила F, пружинното тяло се деформира, в резултат на което тензодатчикът също претърпява еластична деформация. Вследствие на промените във формата на тензодатчика, съпротивлението на отложеното покритие също се изменя. Тъй като всеки динамометричен сензор съдържа най-малко четири тензодатчика, горният ляв и долният десен на фиг. 1 са натоварени на натиск. Следователно, съпротивителният слой се скъсява, и стойността на съпротивлението намалява. Съответно, горният десен и долният ляв тензодатчик от схемата са подложени на опън, който разтяга съпротивителния слой и съпротивлението му нараства. Четирите тензодатчика се свързват в Уитстонов мост. Подложените на опън и на натиск тензодатчици са свързани така, че всяка промяна в съпротивлението им да води до разбалансиране на моста. Принципна схема на Уитстонов в мост е показана на фиг. 2. Върху единия от диагоналите на моста се прилага определено напрежение. Напрежението върху другия диагонал се измерва. Промените в измереното напрежение съответстват пропорционално на следеното тегло.

Теглоизмервателни системи

За да се постигне дефинираната от производителя точност на динамометричните датчици, останалите конструктивни елементи на теглоизмервателната система следва да бъдат избрани така, че направлението на измерваната сила да съвпада с направлението на работа на сензора. В противен случай, при наличието на ексцентричност между направлението на приложената сила и оптималното направление на работа на динамометричния датчик, точността на теглоизмервателната система рязко ще се понижи. Затова, при проектирането на теглоизмервателни системи е необходимо всеки елемент от конструкцията им да се съобрази със заводските изисквания към динамометричните датчици.

Сред конструктивните елементи на теглоизмервателните системи са

самоцентроващите лагерни опори

Те са изградени (фиг. 3) от самоцентроващ се болт, горна и базова плоча. Благодарение на самоцентроващия болт, теглоизмервателната система позволява хоризонтално изместване на горната плоча, в резултат, например, на температурни промени. При изместване на горната плоча, а с нея и на приложения върху нея товар, конструкцията на самоцентроващия болт създава компенсираща сила. Големината на тази сила съвсем логично зависи от размера на преместването и големината на приложения товар.

Съществуват и други конструкции самоцентроващи лагерни опори, например показаните на фиг. 4а и фиг. 4б. При тях теглоизмервателната система работи също с хоризонтално изместване между направленията на приложената сила и динамометричния датчик. Конструкцията на лагерната опора, показана на фиг. 4а, включва три направляващи елемента, а тази от фиг. 4б - две подложени на напрежение плочи. За разлика от лагерната опора от фиг. 3, тези лагерни опори запазват оптималните си метрологични характеристики, дори и ако направлението на измерваната сила се премества по определен радиус в хоризонталната равнина.

Друг конструктивен елемент на теглоизмервателните системи е

гасителят на вибрации

показан на фиг. 5. Предназначението му е да минимизира децентриране на системите в хоризонталната равнина. Възелът би могъл да се достави и инсталира отделно върху теглоизмервателния стенд и след монтажа и пуска му в експлоатация. Конструктивно защитният механизъм се изпълнява с болт, който е центрован в отвор с голям диаметър.

В теглоизмервателните системи се използват и комбинирани монтажни възли като показания на фиг. 6. Като предназначение са идентични със самоцентроващите опори. Монтажният възел изпълнява още функции на гасител на вибрации и защита срещу блокиране на механизма. Като конструкция монтажните възли включват самоцентроващ болт, един или два винта със скрита глава, предназначени за гасене на вибрациите, горна и базова плочи. Самоцентроващият болт позволява хоризонтално изместване на горната плоча и съответно товара върху нея. Както вече бе казано, конструкцията на болта създава компенсираща сила, която зависи от големините на децентрирането и приложената сила. Вграденият гасител на вибрации предотвратява появата на прекомерно изместване между направлението на приложената сила и оптималното направление на работа на динамометричния датчик. По този начин монтажният възел на фиг. 6 защитава теглоизмервателната система от повреди.

Сред възможните конструктивни елементи на теглоизмервателните системи е

базовата плоча със защита от претоварване

Благодарение на вградената защита, динамометричният датчик не се поврежда под статично претоварване. Конструктивен чертеж на подобен монтажен възел може да се види на фиг. 7. Динамометричният датчик би могъл да бъде инсталиран върху основната плоча и центрован дори и след монтажа на измервателната система. По този начин пределно допустимата деформация на пружинното тяло на динамометричния датчик се настройва прецизно. Максималната деформация на пружинното тяло се задава механично - при контакт със защитата от претоварване.

Конструктивен елемент на теглоизмервателните системи би могла да бъде и

еластомерната опора

Конструкцията й е показана на фиг. 8. Приема се, че самоцентроваща еластомерна опора представлява оптимален елемент за предаване на измерваната сила към динамометричния датчик за теглоизмервателни системи със скали без направляващи елементи. Еластомерните опори са добро техническо решение и тъй като поглъщат вибрации и ударни натоварвания. Представляват каучуково-метални композити, направени от неопрен и неръждаема стомана. Въпреки малките си габарити, еластомерните опори осигуряват широк работен диапазон на пружината на динамометричния датчик.

В конструктивно отношение са изградени от две сферични свързващи глави, дистанционен елемент и два монтажни фланеца. Възможно е монтирането на допълнителен направляващ елемент, ако за конкретното приложение съществуват условия в процеса на работа на теглоизмервателните системи да възникнат неотчетени сили с направление в хоризонталната равнина. Предназначението на допълнителния направляващ елемент е да отведе появилите се хоризонтални сили към фундамента и по този начин да ограничи до минимум въздействието им върху работата на динамометричните датчици. Освен показаната конструкция на еластомерна опора съществуват и други разработки, предназначени за определен вид измервателни скали.

Сред конструктивните елементи на теглоизмервателните системи са и т.нар.

хоризонтални направляващи пръти

Изградени са от две сферични свързващи глави, които са присъединени посредством специален елемент. Конструкцията на монтажния възел е показана на фиг. 9. Хоризонталните направляващи пръти биха могли да се монтират като стандартни компоненти или директно върху комбинирания монтажен възел на динамометричните датчици, или между опората и фундамента посредством монтажна конзола.

При изброяването на възможни конструкции монтажни възли за динамометрични датчици е добре да се обърне внимание и на показания на фиг. 10 направляващ болт с кръгла глава. Опората А се поддържа от две сферични шийки и две срещуположни опори - показани на фигурата с В и С. Опорите В и С се поддържат от фундамента. В описаната конструкция опората А е фиксирана в направлението на срещуположните опори, но се движи свободно във вертикално направление. Направляващият болт с кръгла глава има следните характеристики:

l Върху точността на измерването оказва влияние единствено относително малкото триене при търкаляне, характерно за конструкцията;

l тъй като опората се направлява прецизно във вертикално направление, са допустими относително широки премествания във вертикално направление, без това да предизвиква появата на отклонения в други направления;

l конструкцията поема големи хоризонтални сили, въпреки сравнително малките си габарити.

Опорни точки

За приложения, при които изискванията към точността на измервателнe не са високи, се прилага измервателна схема с един динамометричен датчик и две опорни точки, вместо три динамометрични датчика. Друга схема на измерване, която също се използва, включва два динамометрични датчика и две опорни точки. Приложението на схеми с опорни точки се разглежда от специалистите като икономически ефективно решение, при което възникналите хоризонтални сили могат да бъдат поети от опорите. Ако в процеса на измерване възникват големи хоризонтални сили извън нивото на опорите, се налага предприемането на нови мероприятия. Точност между 1 и 2% от измервателния обхват на теглоизмервателни системи, изпълнени с опорни точки, се постига при следните условия:

l Транспортният контейнер да има симетрична конструкция;

l Дори при пълен контейнер да се осигури равномерно разпределение на товара;

l Не се допускат отклонения от центъра на тежестта в процеса на запълване на контейнера;

l разстоянието между динамометричните сензори и опорните точки е колкото е възможно по-голямо;

l линията, свързваща опорните точки, да е наклонена.

За приложения, за които са характерни температурни разлики между контейнера и фундамента резултантните разлики в разстоянията между опорните точки следва да се компенсират чрез една неподвижно закрепена и една подвижна опори. Двете опори са с еднакви размери - фиг. 11. Фиксираната опора е закрепена неподвижно към фундамента и плочата, върху която се прилага измерваната сила. Подвижната опора се осигурява единствено към фундамента или към плочата, върху която се прилага товарът. Направлението на движение на подвижната опора се определя от два водача, които са монтирани върху фундамента или измервателната плоча.




Новият брой 5/2017

брой 5-2017

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top