CS201450B1

CS201450B1 - Tensometric dynamometer member

Info

Publication number: CS201450B1
Application number: CS94779A
Authority: CS
Inventors: Bohumil Pospisil
Original assignee: Bohumil Pospisil
Priority date: 1979-02-13
Filing date: 1979-02-13
Publication date: 1980-11-28

Description

Vynález se týká tenzometrického siloměrného členu pro různé druhy mechanickoelektrických převodníků, u nichž lze působení mechanické veličiny převést na silový účinek.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a strain gauge load cell for various types of mechanical-electric transducers in which the action of a mechanical quantity can be converted into a force effect.

V současné době se v měřící a regulační technice využívají pro konstrukci mechanickoelektrických převodníků různé typy siloměrných členů, které pracují na principu zatěžování pružných těles, jejichž deformace je snímána pomocí elektrických tenzometrů metalických nebo polovodičových, které jsou lepením spojeny s povrchem pružných těles. Typy siloměrných členů se navzájem liší zejména tvarem a způsobem zatěžování pružných těles, dále potom umístěním a zapojením tenzometrů.At present, various types of load cells are used for the construction of mechanical-electronic transducers, which work on the principle of loading of elastic bodies whose deformation is sensed by means of metallic strain gauges or semiconductor, which are glued to the surface of elastic bodies. The types of load cells differ from each other mainly by the shape and manner of loading of the elastic bodies, then by the placement and connection of strain gauges.

Ve snaze dosáhnout dobrých vlastností siloměrných členů po stránce přesnosti, linearity a kompenzace rušivých vlivů při měření, například vlivů teploty, vychází konstrukce siloměrných členů složitá a výrobně náročná.In order to achieve good properties of load cells in terms of accuracy, linearity and compensation of measurement disturbances, such as temperature, the load cells design is complex and difficult to manufacture.

Uvedené nevýhody dosavadních typů tenzometrických siloměrných členů odstraňuje vynález se systémem pružných těles opatřených tenzometry, jehož podstata spočívá v tom, že systém pružných těles je tvořen alespoň jednou tlakovou a alespoň jednou tahovou částíj které jsou uspořádány symetrie-, ky vzhledem ke své společné podélné ose a svými jedněmi konci navzájem pevně spojeny, zatímco jejich druhé konce jsou volné a jsou nasměrovány na jednu stranu od konců navzájem pevně spojených, a kde volný konec tlakové části je upraven pro zavedení měřené síly ve směru společné podélné osy a volný konec tahové částí je upraven pro zachycení reakce na měřenou sílu. Na tlakové části a na tahové části jsou umístěny jim příslušné tlakové tenzometry a tahové tenzometry. ¹ These disadvantages of the prior art strain gauge load cell types are overcome by the invention with a system of elastic bodies provided with strain gauges, which consists in that the system of elastic bodies consists of at least one pressure and at least one tensile part arranged symmetrically with respect to their common longitudinal axis; with one end fixedly connected to each other, while their other ends are free and directed to one side of the ends fixed to each other, and wherein the free end of the pressure portion is adapted to introduce a measured force along a common longitudinal axis capture reaction to measured force. On the pressure part and on the tensile part there are placed corresponding pressure strain gauges and tension strain gauges. ¹

Podle alternativy provedení je v oblasti umístění tlakových tenzometrů ,a tahových tenzometrů velikosti plochy příčného průřezu tlakové části a tahové části stejná, a po délce příslušných tenzometrů, orientovaných svou podélnou osou rovnoběžně se společnou podélnou osou obou částí, je tvar příčného průřezu příslušné částí neměnný.According to an alternative embodiment, the area of the cross-sectional area of the pressure part and the tensile part is the same in the area of the placement of the strain gauges and the strain gauges, and the cross-sectional shape is unchanged along the length of respective strain gauges oriented along its longitudinal axis.

Výhodou tenzometrického siloměrného členu podle vynálezu je, že působením měřené síly dochází v obou částech systému pružných těles ke stejně velké jednoosé napjatosti, avšak opačného smyslu.An advantage of the strain gauge load cell according to the invention is that the measured uniaxial stress in the two parts of the elastic body system is of equal magnitude but in the opposite sense.

Příklad provedení vynálezu je znázorněn na výkresech, kde představuje obr. 1 v axonometrickém pohledu tenzometrický siloměrný člen s tlakovou a tahovou částí systému pružných těles uspořádaného do kříže, obr. 2 tenzometrický siloměrný člen se systémem pružných těles uspořádaných do po201450 doby písmene „E“, obr. 3 příčný řez vedený oblastí nalepených tenzometrů v obr. 1, obr. 4 příčný řez vedený oblastí nalepených tenzometrů v obr. 2, a obr. 5 zapojení tenzometrů do Wheatstoneova odporového můstku.1 is an axonometric view of a strain gauge load cell with a pressure and tension portion of a cross-section of a system of resilient bodies; FIG. 2 a strain gauge load cell with a system of resilient bodies arranged up to the "E" time post201450; Fig. 3 is a cross-sectional view through the area of glued strain gauges in Fig. 1; Fig. 4 is a cross-sectional view through the area of glued strain gauges in Fig. 2; and Fig. 5 shows the connection of strain gauges to a Wheatstone resistance bridge.

Podle obr. 1 a obr. 3 sestává tenzometrický siloměrný člen 1 z pružných těles rotačně uspořádaných kolem společné podélné osy o. Pružná tělesa se skládají z dvou dílů tlakové části 2 a z dvou dílu tahové části 3. Oba díly příslušné části 2, 3 jsou symetrické vzhledem k společné podélné ose o a jsou jedněmi konci navzájem pevně spojeny dnovou spojnicíAccording to Figs. 1 and 3, the strain gauge load cell 1 consists of elastic bodies rotatably arranged about a common longitudinal axis o. The elastic bodies consist of two parts of the pressure part 2 and two parts of the tension part 3. Both parts of the respective parts 2, 3 are symmetrical. with respect to the common longitudinal axis o and they are fixedly connected to one another by a bottom connection

6. Druhé konce dílů tlakové části 2 jsou volné. Na nich jsou rozšířené převodní patice 10, které jsou navzájem pevně spojeny převodním nosníkem 9 pro zavádění měřené síly P, působící ve směru společné podélné osy o. Rovněž druhé konce dílů tahové části 3 jsou volné a jsou na nich rozšířené upevňovací patice 7 pro zachytávání ‘reakce R na měřenou sílu P, kde každá upevňovací patice 7 zachyR tává poloviční hodnotu — reakce R, působící Z v opačném smyslu vzhledem k působení měřené síly P.6. The other ends of the parts of the pressure part 2 are free. There are widened transmission bases 10 which are fixed to each other by a transmission beam 9 for applying a measured force P acting in the direction of the common longitudinal axis o. Also the other ends of the parts of the tension part 3 are free and have fastening bases 7 for gripping. the reaction R to the measured force P, where each fixing base 7 retains a half value - the reaction R, acting Z in the opposite direction with respect to the measured force P.

Na vnějších stěnách dílů tlakové části 2 jsou umístěny metalické nebo polovodičové tlakové tenzometry 4 a obdobně na tahové části 3 jsou umístěny tahové tenzometry 5. Z výrobních důvodů se části 2 a 3 s paticemi 10 a 7 a spojnicí 6 přednostně vyrábějí z hrncovitého polotovaru po odfrézování křížových drážek 8.Metallic or semiconductor pressure gauges 4 are placed on the outer walls of the pressure part 2 parts, and tensile strain gauges 5 are placed similarly on the tension part 3. For production reasons, parts 2 and 3 with bases 10 and 7 and connector 6 are preferably manufactured from a pot-shaped blank. cross grooves 8.

Podle obr. 2 a obr. 4 sestává tenzometrický siloměrný člen 11 tvaru písmene „E“ ze systému tří pružných těles uspořádaných v řadě a symetricky vzhledem k jejich společné podélné ose s. Středním pružným tělesem je tlaková část 12 tvořená jedním dílem čtvercového nebo obdélníkového příčného průřezu, jejíž podélná osa souhlasí se společnou podélnou osou s. Po obou stranách tlakové části 12 se nacházejí dva díly tahové části 13 obdélníkového příčného průřezu o poloviční ploše, než je plocha příčného průřezu dílu tlakové části 12. Oba díly tahové části 13 jsou dole jedněmi konci spojeny s jedním koncem tlakové části 12 prostřednictvím dostatečně tuhé spojnice 16. Na volných druhých koncích dílů tahové části 13 jsou rozšířené upevňovací patice 17 pro zachytávání reakce R na měřenou sílu P, kde každá upevňovací patice 17 zachytává poR loviční hodnotu — reakce R. Měřená síla P se zavádí na tlakovou část 12 ve směru společné podélné osy s. Na vnějších plochách obou dílu tahové části 13 jsou kolmo na rovinu symetrie umístěny tahové tenzometry 15. Tlakové tenzometry 14 jsou umístěny rovnoběžně s rovinou symetrie na bočních stěnách tlakové části 12. Z výrobních důvodů se pružná tělesa přednostně vyrábějí z plochého polotovaru proříznutím drážek 18.According to Figures 2 and 4, the strain gauge load cell 11 of the "E" consists of a system of three elastic bodies arranged in a row and symmetrical with respect to their common longitudinal axis s. The central elastic body is a pressure part 12 formed by one piece of square or rectangular cross On both sides of the pressure part 12 there are two parts of the tension part 13 of a rectangular cross-section of half the area of the cross-sectional area of the part of the pressure part 12. Both parts of the tension part 13 are one down At the free second ends of the portions of the tensile portion 13, the fastening bases 17 are received to capture the reaction R to the measured force P, where each fastening base 17 receives a poR hunting value - reaction R. The measured force P is applied to the pressure part 12 in the direction of the common longitudinal axis s. Tensile strain gauges 15 are placed perpendicular to the plane of symmetry on the outer surfaces of both parts of the tension part 13. The pressure strain gauges 14 are located parallel to the plane of symmetry. For manufacturing reasons, the elastic bodies are preferably manufactured from a flat blank by cutting the grooves 18.

Všechny volné konce tlakových částí 2, 12 i tahových částí 3, 13 jsou nasměrovány na jednu stranu od konců navzájem spojených.All free ends of the pressure portions 2, 12 and the tension portions 3, 13 are directed to one side from the ends connected to each other.

Tenzometry 4 a 5, respektive 14 a 15, se připevňují na části 2 a 3, respektive 12 a 13 a umísťují se jejich podélnou osou rovnoběžně se společnou podélnou osou o, s tenzometrického siloměrného členu 1, 11 v oblasti, v níž se u všech dílů tlakové části 2, 12 i u tahové části 3, 13 tvar plochy příčného průřezu po délce nemění.The strain gauges 4 and 5, 14 and 15, respectively, shall be mounted on the parts 2 and 3 and 12 and 13 respectively and shall be positioned with their longitudinal axis parallel to the common longitudinal axis o, with the strain gauge load cell 1, 11 in the area where The parts of the pressure part 2, 12 and the tension part 3, 13 do not change the shape of the cross-sectional area along the length.

Tenzometrický siloměrný člen 1, 11 je svými upevňovacími paticemi 7, 17 připevněn k plášti mechanickoelektrického převodníku. Měřená mechanická veličina, převedená na silový účinek, se jako měřená síla P zavádí ve směru společné podélné osy o, s do tlakové části 2, 12. Působením měřené síly P vzniká v obou částech 2, 12 a 3, 13 jednoosé mechanické napětí vyvolávající v pružných tělesech deformaci úměrnou velikosti měřené síly P, která se přenese do příslušných tenzometrů 4, 14 a 5, 15, kde vyvolá úměrnou změnu elektrického odporu. Vlivem vzájemného uspořádání pružných těles vzniká v tlakové části 2, 12 a v tahové části 3, 13 mechanické napětí stejné velikosti, avšak opačného smyslu. Tak dochází u tlakových tenzometrů 4, 14 a u tahových tenzometrů 5, 15 ke stejně veliké, ale vzájemně opačné změně elektrického odporu. Tím se vytváří jednoduchým způsobem podmínky pro umístění tenzometrů 4, 14 a 5, 15 na pružných tělesech tenzometrického siloměrného členu 1, 11 tak, že lze tenzometry 4, 14 a 5, 15 zapojit do polovičného nebo celého Wheatstoneova odporového můsku. Tlakové tenzometry 4, 14, umístěné na tlakové části 2, 12, jsou zapojeny vždy v sousední větvi Wheatstoneova odporového můstku s tahovými tenzometry 5, 15 tahové části 3, 13. Takto se účinky všech tenzometrů 4, 14 a 5, 15, působené měřenou silou P, sčítají a všechny větve můstku jsou tak zvaně plně aktivní. Získaná citlivost je vzhledem k můstkovému zapojení maximální při současné samočinné kompenzaci jak vlivu teplotní dilatace obou částí 2, 12 a 3, 13 systémem pružných těles, tak i vlivu vlastní teplotní změny odporů tenzometrů 4, 14 a 5, 15. Lze to názorně vidět na příkladě nej jednoduššího provedení celého Wheatstoneova odporového můstku na obr. 5, kde tenzometry 4, 14 ia 5, 15 tvořící jednotlivé větve tohoto můstku, jsou napájeny z elektrického zdroje E a změny elektrického proudu nebo napětí, způsobené změnami elektrického odporu tenzometrech 5, 15 přírůstek elektrického odr dikačním přístroji I. V případě, že působením měřené síly P vznikne v tahových tenzometrech 5, 15 přírůstek elektrického odporu a v tlakových tenzometrech 4, 14 úbytek elektrického odporu, dojde z hlediska svorek, na kterých je připojen indikační přístroj I, ke změně vyvážení Wheatstoneova odporového můstku, mající za následek odpovídající výchylku indikačního přístroje I, která je čtyřnásobně větší, než v případě stejné změny elektrického odporu v jedné větvi.The strain gauge load cell 1, 11 is fastened to the housing of the mechanical-electric converter by its mounting bases 7, 17. The measured mechanical quantity converted to the force effect is introduced as a measured force P in the direction of the common longitudinal axis o, s into the pressure part 2, 12. The measured force P creates a uniaxial mechanical stress in both parts 2, 12 and 3, 13. the elastic bodies deformation proportional to the magnitude of the measured force P, which is transferred to the respective strain gauges 4, 14 and 5, 15, where it causes a proportional change in the electrical resistance. Due to the mutual arrangement of the elastic bodies, a mechanical stress of the same size, but in the opposite sense, occurs in the pressure part 2, 12 and in the tension part 3, 13. Thus, the pressure gauges 4, 14 and the tension gauges 5, 15 exhibit an equal but mutually opposite change in the electrical resistance. This creates in a simple manner the conditions for placing the strain gauges 4, 14 and 5, 15 on the elastic bodies of the strain gauge load cell 1, 11 so that the strain gauges 4, 14 and 5, 15 can be connected to half or all of the Wheatstone resistive bridge. The pressure gauges 4, 14, located on the pressure part 2, 12, are always connected in the adjacent branch of the Wheatstone resistance bridge with the tension strain gauges 5, 15 of the tension part 3, 13. Thus, the effects of all strain gauges 4, 14 and 5, 15 by the force P, they add up and all bridge branches are so called fully active. The sensitivity obtained is maximal due to the bridge connection with simultaneous automatic compensation both by the influence of thermal expansion of both parts 2, 12 and 3, 13 by the system of elastic bodies and also by the actual temperature change of the strain gauges 4, 14 and 5, 15. By way of example of the simplest embodiment of the whole Wheatstone resistance bridge in Fig. 5, where the strain gauges 4, 14 and 5, 15 forming the individual branches of this bridge are powered from an electric source E and changes in electric current or voltage caused by changes in electrical resistance In the event that an increase in electrical resistance occurs in tensile strain gauges 5, 15 and a decrease in electrical resistance in pressure strain gauges 4, 14 occurs under the influence of the measured force P, there will be a change in terms of the terminals to which the indicating device I is connected. balancing a Wheatstone resistor bridge having a a corresponding deflection of the indicating device I which is four times greater than in the case of the same change in electrical resistance in a single branch.

Působením změny teploty při zahřátí tenzometrického siloměrného členu 1, 11 dochází k přírůstku elektrického odporu, stejnému jak u tahových tenzometrů 5, 15, tak i u tlakových tenzometrů 4, 14, který se projevuje tím, že stav vyvážení Wheatstoneova odporového můstku se nemění. Proto nedojde ani k výchylce na indikačním přístroji I, která by představovala chybu způsobenou zvýšenou teplotou.As a result of the temperature change when the strain gauge 1, 11 is heated, the electrical resistance increases, both in tension strain gauges 5, 15 and in pressure strain gauges 4, 14, which means that the balance state of the Wheatstone resistor bridge does not change. Therefore, there is no displacement on the indicating device I, which would represent an error caused by the elevated temperature.

Měřenou sílu P možno zavádět do tenzometrického siloměrného členu 1, 11 způsobem umožňujícím jeho funkci při působení měřené síly P v obou smyslech, to je v tlaku i v tahu. V tomto případě dojde pouze k záměně funkce tlakové části 2, 12 a tahové části 3, 13 ve smyslu jejich mechanického napětí.The measured force P can be introduced into the strain gauge load cell 1, 11 in a manner allowing its function under the action of the measured force P in both senses, i.e. both in compression and in tension. In this case, only the function of the pressure part 2, 12 and the tension part 3, 13 in the sense of their mechanical stress is confused.

Tenzometrický siloměrný člen podle vynálezu lze s výhodou využít pro jeho příznivé zástavbové rozměry při konstrukci přesných provozních i laboratorních elektromechanických převodníků, například u dynamometrů, vah a manometrů.The strain gauge load cell according to the invention can be advantageously used for its favorable installation dimensions in the construction of precision operational and laboratory electromechanical transducers, for example in dynamometers, scales and manometers.

Claims

Tensometric load cell comprising a system of resilient bodies provided with strain gauges detecting deformation of these bodies by a measured force, characterized in that the system of resilient bodies comprises at least one pressure part (2, 12) and at least one tension part (3, 13) which are arranged symmetrically with respect to their common longitudinal axis (o, s) and their one ends fixedly connected to each other, while their other ends are free and directed to one side from the ends fixedly connected to each other, and wherein the free end of the pressure part (2, 12) ) is adapted to introduce the measured force (P) in the direction of the common longitudinal axis (o, s) and the free end of the tension part

OF THE INVENTION (3, 13) is adapted to capture the reaction (R) to the measured force (P), wherein the pressure portions (2, 12) and the tension portions (3, 13) are provided with respective pressure strain gauges (4, 14) and tensile strain gauges (5.15).

Strain gauge load cell according to claim 1, characterized in that in the area of the position of the strain gauges (4, 14) and the strain gauges (5, 15) the cross-sectional area of the pressure part (2, 12) and the tension part (3, 13) ), and along the length of the respective strain gauges (4, 14 and 5, 15) oriented by their longitudinal axis parallel to the common longitudinal axis (o, sj), the cross-sectional shape of the respective part (2,12 and 3,13) remains fixed.