Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Весовое устройство

Содержание

Введение

В настоящее время номенклатура весоизмерительных устройств, изготовляемых в России, превышает шестьсот наименований, основное количество которых предназначено для механизации и автоматизации технологических процессов. От правильного выбора весоизмерительных приборов в значительной степени зависит не только эффективность производственного учета, но и возможность внедрения новых автоматизированных методов производства. Большинство изделий представляют собой сложнейшие механизмы, оснащенные электроникой, автоматикой и регистрирующими устройствами, позволяющие не только контролировать значение массы, но и выполнять функции командоаппаратов в технологических процессах. С развитием электронно-вычислительной техники появилась весоизмерительные устройства, вычисляющие стоимость взвешиваемого продукта, а также счетные весы для подсчета количественных деталей. В первом случае цену единицы массы умножают на значение массы, а во втором случае массу партии однородных деталей делят на массу одной детали. И в том и в другом случае выдается этикетка за 1 кг, дата, наименование продукта, предприятие и так далее. Такие весы получают все большее распространение в торговли при фасовке товаров, которые невозможно доводить до заданной массы, например, тушек птицы и других товаров в пищевой промышленности, а также в автоматических линиях (например, для взвешивания катушек с электроприводом в кабельной промышленности).

Значительное развитие получил принцип взвешивания без остановки объекта взвешивания, что дает значительную экономию времени взвешивания. Взвешивание железнодорожных составов и автомобилей на ходу, а также взвешивание на подвесных и напольных конвейерах в технологических производственных процессах дает возможность полностью автоматизировать многие процессы.

Особое место занимают новые способы взвешивания с применением в качестве силоизмерителя тензорезисторов и вибростержней датчиков. Применение этих датчиков во многих случаях позволяет избавиться от рычажных систем и, следовательно, значительно снизить металлоемкость изделий. Получение выходных электрических сигналов значительно облегчает автоматизацию процессов взвешивания, а в отдельных случаях можно вывести сигналы на ЭВМ и АСУ ТП. Кроме этого, за счет повышения жесткости грузоприемной системы сокращается время взвешивания. Применение встроенных тензоризисторных датчиков в подъемных кранах является основным способом взвешивания грузов при подъеме их и транспортировке.

Техническому прогрессу, в общем, и специальном машиностроении способствовало широкое использование современных методов и средств тензометрии, которые позволили на высоком уровне решать задачи, связанные с созданием новых машин. Сложность конструктивных форм узлов и деталей современных машин, многообразие действующих на них нагрузок в подавляющем большинстве случаев не позволяют определить напряженное состояние расчетным путем или моделированием при создании машин новых конструкций; иными словами, новые машины не могут быть правильно спроектированы и выполнены без проведения экспериментальных исследований. В связи с этим тензометрические весовые устройства стали находить очень широкое применение в современной технике. Такие устройства необходимы прежде всего для измерения очень больших величин веса.

Цель разработки – проект тензометрического весового устройства со сферическим упругим элементом для контроля массы подвижного состава.

Задачи, необходимые для достижения поставленной цели:

изучение теоретических основ весового устройства;
изучение свойств и принципа работы тензометрических датчиков;

разработка математической модели метрологической характеристики тензометрического преобразователя;
построение сборочного чертежа и рабочих чертежей всех деталей весового устройства.

1 Теоретическая часть

По назначению весоизмерительные и весодозирующие устройства разделяют на следующие шесть групп:

весы дискретного действия;
весы непрерывного действия;
дозаторы дискретного действия;
дозаторы непрерывного действия;
образцовые весы, гири, передвижные весоповерочные средства;
устройства для специальных измерений.

К первой группе относят лабораторные весы различных типов, представляющие отдельную группу весов с особыми условиями и методами взвешивания, требующих высокой точности показаний: весы настольные с наибольшим пределом взвешивания до 100 кг, весы платформенные передвижные и врезные с наибольшим пределом взвешивания до 15 т, весы платформенные стационарные, автомобильные, вагонеточные, вагонные (в том числе и для взвешивания на ходу), весы для металлургической промышленности (к ним относятся системы шихтоподачи для питания доменных печей, электровагонвесы, углезагрузочные весы для коксовых батарей, весовые тележки, весы для жидкого металла, весы для блюмов, слитков, проката и т.д.).

Весы первой группы изготовляют с коромыслами шкального типа, циферблатными квадратными указателями и цифро-показывающими и печатающими указательными приборами и пультами. Для автоматизации взвешивания применяют печатающие аппараты автоматической записи результатов взвешивания, суммирования итогов нескольких взвешиваний и аппараты, обеспечивающие дистанционную передачу показаний весов.

Ко второй группе относят конвейерные и ленточные весы непрерывного действия, ведущие непрерывный учет массы транспортируемого материала. Конвейерные весы отличаются от ленточных непрерывного действия тем, что их выполняют в виде отдельного весового устройства, устанавливаемого на определенном участке ленточного конвейера. Ленточные весы представляют собой самостоятельные ленточные конвейеры небольшой длины, оснащенные весоизмерительным устройством.

К третьей группе относят дозаторы для суммарного учета (порционные весы) и дозаторы для фасовки сыпучих материалов, используемых в технологических процессах различных отраслей народного хозяйства.

К четвертой группе относят дозаторы непрерывного действия, используемые в различных технологических процессах, где требуется непрерывная подача материала с заданной производительностью.

Принципиально дозаторы непрерывного действия выполняют с регулированием подачи материала на конвейер или с регулированием скорости ленты.

Пятая группа включает метрологические весы для проведения поверочных работ, а также гири и передвижные средства поверки.

Шестая группа включает различные высокоизмерительные устройства, служащие для определения не массы, а других параметров (например, подсчета равновесных деталей или изделий, определения крутящего момента двигателей, процентного содержания крахмала в картофеле и т.д.).

Причины, вызывающие погрешности взвешивания

Упругая деформация рычагов. Это явление может вызвать удлинение или укорочение эффективной длины рычагов. При этом передаточные отношения становятся зависимыми от величины нагрузки, и появляется погрешность нелинейности.

Непараллельность призменных опор. При идеальном положении призменных опор рабочие ребра всех призм параллельны между собой и перпендикулярны плоскости вращения рычагов. При невыполнении этих условий в результате смещения точки приложения силы вдоль ребра опоры может возникнуть погрешность и измениться подвижность механизма весов.

Трение в шарнирах. При отсутствии загрязнений в условиях эксплуатации трение в шарнирах, обычно выполненных в виде опорной подушки и призмы, незначительно. При загрязнении трение может увеличиться настолько, что уменьшится подвижность, а следовательно, возрастет вариация показаний.

Износ рабочих ребер призм. При затуплении призм длины рычагов неточно выдерживаются и зависят от угла поворота призмы. Это влечет за собой увеличение вариации показаний.

Предельными погрешностями называют указываемые изготовителем (гарантируемые) или приводимые в инструкциях по калибровке предельно допустимые значения погрешностей (калибровочные погрешности). Эти погрешности представляют собой отклонение в верхнюю или нижнюю сторону от истинного значения веса гири или от истинного показания весов. Их превышение недопустимо.

Тензорезисторные преобразователи. Принцип действия и конструкция.

Тензорезисторный преобразователь (тензорезистор) представляет собой проводник, изменяющий свое сопротивление при деформации сжатия—растяжения. При деформации проводника изменяются его длина l и площадь поперечного сечения Q. Деформация кристаллической решетки приводит к изменению удельного сопротивления p. Эти изменения приводят к изменению сопротивления проводника:

R = pl/Q.

Этим свойством обладают в большей или меньшей степени все проводники. В настоящее время находят применение проводниковые (фольговые, проволочные и пленочные) и полупроводниковые тензорезисторы. Наилучшим отечественным материалом для изготовления проводниковых тензорезисторов, используемых при температурах ниже 180 °С,

относительной деформации є с достаточной точностью описывается линейным

двучленом:

R = R₀(l + S_тє),

где R₀ — сопротивление тензорезистора без деформации; S_т —тензочувствительность материала.

Тензочувствительностъ константана лежит в пределах 2,0—2,1. Нелинейность функции преобразования не превышает 1%.

Фольговые тензорезисторы представляют собой тонкую лаковую пленку, на которую нанесена фольговая тензо-чувствительная решетка из констатана толщиной 4-12 мкм (рисунок 1).

Рисунок 1 – Конструкция решетки фольгового тензорезистора.

Решетка сверху покрыта лаком. Фольговые тензорезисторы нечувствительны к поперечной деформации вследствие малого сопротивления перемычек, соединяющих тензочувствительные элементы.

Проволочный тензорезистор имеет аналогичное устройство, но его решетка выполнена из константа новой проволоки толщиной 20 -50 мкм. По метрологическим и эксплуатационным характеристикам проволочные преобразователи уступают фольговым.

Фольговые и проволочные тензорезисторы обычно имеют длину 5-20 мм, ширину 3-10 мм. Их номинальное сопротивление равно 50, 100, 200, 400 и 800 Ом. Параметры тензорезисторов общего назначения регламентирует ГОСТ 21616-76.

Полупроводниковые тензорезисторы представляют собой пластинку монокристалла кремния или германия длиной 5—10 мм, шириной 0,2-0,8 мм. К ее торцам приварены выводные проводники. Номиналыюе сопротивление лежит в пределах 50-800 Ом. Свойства полупроводниковых и металлических ' преобразователей сильно различаются. Чувствительность полупроводниковых преобразователей может быть как положительной, так и отрицательной и лежит в пределах ST = 55 т 130. Как сопротивление, так и чувствительность сильно зависят от температуры. Недостатком является также большой разброс параметров и характеристик.

Тензорезисторы применяются для преобразования деформации деталей в изменение сопротивления. Для этого они приклеиваются к этим деталям и испытывают одинаковые с ними деформации.

1.1. Физические принципы действия весовых устройств

На рисунке 2 показан силоизмеритель с тороидальным элементом для

измерения сил до 10кН при диаметре дисков 160 мм.

Рисунок 2 – Силоизмеитель с тороидальным чувствительным элементом

Между двумя дисками 1 и 2 в кольцевых выточках установлен тор 3 трубчатого сечения. На боковые поверхности наклеены тензорезсторы 4. Под действием силы, прикалываемой к верхнему диску, круглое сечение трубы, образующей тор, деформируется, принимая форму эллипса, что вызывает соответствующую деформацию тензорезисторов. Начальная нагрузка тора, необходимая для равномерного распределения деформаций по периметру тора, создается стяжным болтом 5, расположенным в центре дисков. Резиновая лента служит для защиты преобразователя от попадания внутрь влаги и пыли.

Гидравлический силоизмеритель (рисунок 3) содержит корпус 1, поршень 2, выполненный в виде жесткого центра, и мембрану 3, образующие замкнутую полость 4, заполненную жидкостью и связанную с измерителем давления, например грузопоршневым манометром.

Мембрана 3 состоит из эластичного слоя и армирующих нитей, размещенных на наружной поверхности мембраны. Между армирующими нитями расстояние выбирается минимальным, исходя из условия размещения нитей вплотную на внешнем контуре мембраны. Сечение нитей выбирают в соответствии с измеряемой нагрузкой и соответствующим ей гидростатическим давлением жидкости в полости 4.

В зависимости от сечения нитей и способа изготовления мембраны концы нитей закрепляют с помощью плоской прокладки, фигурной обжимки или закладного кольца, прижимаемых к корпусу 1 и поршню 2 прокладками 6 и 7 при помощи болтов 10. Прокладка и обжимка изготовлена из материала более мягкого, чем материал армирующих нитей. Уплотнения полости 4 достигают одновременным прижатием эластичного слоя к торцовым поверхностям корпуса 1 и поршня 2.

Рисунок 3 - гидравлический силоизмеритель

Поршень 2 снабжен направляющими, обеспечивающими прямолинейность его движения.

Гидравлический силоизмеритель работает следующим образом. При воздействии на поршень измеряемой силы Р в полость 4 создается пропорциональное силе давление, измеряемое манометром. Происходит перемещение поршня за счет частичной сжимаемости жидкости и отбора жидкости манометром. При этом мембрана 3 перекатывается по цилиндрическим направляющим поверхностям 8 и 9 элементов 6 и 7, не изменяя форму свободной части и эффективную площадь. Мембрана 3 контактирует с поверхностями 8 и 9 своими армирующими нитями без относительного скольжения и сдвига последних и не вызывает гистерезисной погрешности, а растягивающие усилия передаются на корпус и поршень непосредственно через армирующие нити.

Размещение армирующих нитей на поверхности мембраны и закрепление ее за выступающие концы нитей позволяет передать растягивающую нагрузку и распорное усилие от давления жидкости через армирующие нити, не включая в цепь передачи усилий эластичный слой мембраны и, благодаря этому, повысить допустимое давление и уменьшить гистерезисную погрешность.

Кроме этого, увеличивается плотность размещения армирующих нитей по сравнению с размещением их внутри эластичного слоя, что также способствует повышению допустимого давления.

1.2 Технические характеристики весового устройства

При использовании тензорезисторов, номинальные сопротивления которых укладываются в диапазон номинальных сопротивлений, гарантируются все паспортные характеристики преобразователей и приборов. Нижний предел сопротивления тензорезисторов ограничивается внутренним сопротивлением (мощностью) источника питания моста и мощностью, рассеиваемой на тензорезисторах при данном напряжении питания. Верхний предел сопротивления ограничивается в основном помехоустойчивостью измерений данными средствами. При наличии на входе тензометрического преобразователя или прибора резонансного входного трансформатора отклонение от рекомендуемых сопротивлений тензорезисторов (особенно в сторону уменьшения) приводит к изменению частотной характеристики этих средств и их селективности в отношении помех. Обычно номинальные значения входных сопротивлений тензометрических преобразователей и приборов лежат в пределах 50—500—2000 Ом; кроме номинального диапазона сопротивлений тензорезисторов, входной импенданс характеризуется допустимой длиной соединительного кабеля (иногда с указание погонной емкости или волнового сопротивления).

Возможные варианты включения тензорезисторов: полный мост, полумост, одиночный тензорезистор по трехпроводной схеме или потенциометрическая схема.

По схемам включения оценивают пригодность приборов для выполнения заданного вида исследований. Например, при измерениях деформаций кручения через токосъемное устройство целесообразно включать тензорезисторы по схеме полного моста с целью снижения влияния переходных сопротивлений токосъемного устройства. При многоточечном тензометрировании для снижения трудоемкости и стоимости эксперимента целесообразно применять одиночные самотермокомпенсированные тензорезисторы и т.д. Многие типы серийных тензорезисторных преобразователей механических величин имеют полную мостовую схему; их использование возможно с промежуточными преобразователями и с приборами, рассчитанными на подключение схемы полного моста.

Напряжение питания и вид тока питания входной схемы или одного тензорезистора. Указанная в паспорте величина напряжения питания позволяет оценивать возможный перегрев тензорезисторов током питания во время измерений. Перегрев тензорезистора и вызываемая этим погрешность определяются не только плотностью тока, но и конструкцией тензорезистора, его тепловыми характеристиками, а также материалом и конструктивными размерами объекта исследования (т. е. теплообменом между решеткой тензорезистора и объектом исследования).

В преобразователях и приборах для преобразования или измерения статических деформаций напряжение питания (при непрерывном питании) выбирается в пределах 1—4 В. В тензометрических усилителях напряжение питания 4—8 В. В многоточечных приборах с импульсным питанием мостовых схем амплитуда импульса может достигать 20—30 В при среднем значении напряжения 0,02—1 В.

Для питания тензометрических мостов используются постоянный ток, синусоидальный переменный ток, переменный ток в форме прямоугольных импульсов и периодические одиночные импульсы с большой скважностью. Частота переменного тока в преобразователях и приборах для измерения статических деформаций 275, 315 (частоты, не кратные 50 Гц), 500 и 1000 Гц. В тензометрических усилителях переменный ток с частотами 1; 3,5; 5; 10; 35 кГц и импульсное питание с частотой до 100 кГц. Несущая частота f_нес определяет предельную рабочую частоту тензометрических преобразователей и приборов, обычно f_в = 0,1—0,2f_нес.

Чувствительность тензорезисторов, применяемых с данными преобразователями или приборами. Этот параметр указывают в основном для преобразователей и приборов сравнения. Если в приборе нет регулятора чувствительности, обычно его шкала проградуирована под тензорезисторы с чувствительностью S_Т = 2,00. Обычно диапазон регулировки чувствительности у приборов, имеющих регулятор, от 1,75 до 2,25, у отдельных видов приборов — от 1,5 до 4,5.

Выходной ток преобразователя при рекомендуемом сопротивлении нагрузки — это амплитудное значение выходного тока, при котором гарантируется заданный допуск на нелинейность градуировочной характеристики. Величина выходного тока указывается в основном для магнитографов и тензометрических усилителей, предназначенных для работы с самописцами и светолучевыми осциллографами.

Значения максимальных выходных токов — в пределах 10— 200 мА (для работы со светолучевым осциллографом) и 100—500 мА (для работы с самописцами).

Выходное напряжение преобразователя указывают в паспортных данных тензометрических усилителей, имеющих специальный выход для подключения электронного осциллографа и магнитографа, анализатора или цифрового вольтметра и др., а также в приборах прямого действия для измерения статических деформаций, выход которых рассчитан для подключения цифрового вольтметра. Выходные напряжения, отнесенные к напряжению питания тензометрического моста, указывают у преобразователей механических величин. Причем значения выходных напряжений соответствуют номинальной нагрузке преобразователя.

2 Основная часть

2.1 Выбор и расчет основных параметров устройства

Чувствительный элемент в форме шара в малой степени реагирует на приложение измеряемых сил внецентренно или под углом. Сферические чувствительные элементы применяют в силоизмерителях непромышленного изготовления, предназначенных для измерения сжимающих сил (обычно более 50 кН). Тензорезисторы наклеивают на экваториальную часть шара, а измеряемые силы через специальные сферические башмаки прикладывают к полюсам. Лучшие временные характеристики такого чувствительного элемента можно получить, если вместо наклеиваемых тензорезисторов на экваториальную часть шара намотать тензочувствительную проволоку.

Рисунок 4 - Деформация упругого элемента

Диаметр стального шара вычисляется по формуле

где - максимальная измеряемая сила, P=mg (по условию m=20 тонн), тогда получаем

P=20000 * 9.81 = 196200 Н

= 44.29мм

Проведя округления получим, что диаметр стального шара D=44мм.

Деформация (прогиб)

где E-модуль упругости (для нашего случая E=210 гПА)

=0,0212 мм.

Основной измерительной схемой в тензометрировании является мостовая схема. По числу плеч мостовой схемы, размещаемых вне прибора, в тензометрии принято различать три модификации мостовой схемы. Простейшей и наиболее перспективной схемой включения тензорезисторов является мостовая схема с одним активным плечом; три других плеча выполнены в виде стабильных резисторов, размещенных в промежуточном преобразователе или приборе. Применение такой схемы стало возможным в связи с появлением и постоянным совершенствованием самотермокомпенсированных тензорезисторов. В настоящее время наиболее широкое применение, особенно при тензометрировании статических и квазистатических процессов, имеет полумостовая схема, где один тензорезистор используют как активный, второй, включенный в смежное плечо моста,— для температурной компенсации; другие плечи выполнены в виде стабильных резисторов, установленных в промежуточном преобразователе или приборе. Применяют также схему полного моста, в которой все плечи находятся вне прибора. Эту схему используют главным образом в тех случаях, когда недостаточно постоянны переходные сопротивления соединительных линий, токосъемных или коммутационных устройств.

При решении целого ряда задач тензометрирования требуется не только схемная температурная компенсация, но и автоматическое исключение (в процессе измерений) влияния различных составляющих деформаций, иными словами — выделение из сигнала тензорезисторов информации, интересующей экспериментатора.

Ниже рассмотрены основные схемы включения тензорезисторов, применяемые с целью достижения термокомпенсации или исключения тех или иных составляющих деформаций.

Рисунок 5 - Схемы тензометрических мостов

а —с одним тензорезистором в каждом плече; б — с двумя тензорезис-торами в двух плечах

Автоматическое выделение различных составляющих деформаций эффективно в основном для простейших геометрических форм объектов исследования, при достаточно точном их изготовлении.

Эффективность компенсации главным образом зависит от того, насколько близки по абсолютной величине исключаемые деформации, воспринимаемые взаимокомпенсирующими тензорезисторами.

Эффективность схемной термокомпенсации также зависит от того, насколько точно удается обеспечить равенство температурных деформаций, воспринимаемых активными и компенсационными тензорезисторами.

На рисунке 5 показаны схемы тензометрических мостов, в которых включение тензорезисторов используется для термокомпенсации или исключения различных составляющих деформаций.

Исходя из предоставленных данный был выбран тензорезистор 2ФКПА, с размерами 9х3 мм. Характеристики выбранного тезнорезистора представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Номенклатура и технические данные тензорезистора 2ФКПА

Сопротивление R, Ом

Рабочий ток I, мА

Рабочий диапазон температур T, К

Габаритные размеры, мм

Конструкция решетки

100

235-345

Основной измерительной схемой в тензометрировании является небалансная мостовая схема (рисунок 5 а).

Весовое устройство 📙 Курсовая → 🆔 47368