HU180975B - Device for measuring small forces of weight - Google Patents

Description

2

A találmány tárgya berendezés kis súlyerők mérésére. A súlyerők mérése egyike a legelterjedtebb mérési feladatoknak. Megoldására a legkülönbözőbb szerkezeteket hozták létre az idők folyamán. Az egyik legrégebbi mérlegtípus az egyenlő vagy egyenlőtlen karú emelő elvét hasznosítja. Az ilyen mérlegekben az egyensúlyt súly felrakásával vagy elmozdításával alakítják ki. A mért tömeg mérőszámát a felrakott súlyok számlálása vagy elmozdulásuk alapján határozzák meg.

Napjainkban számos újabb fizikai jelenséget használnak fel a súlyerő mérésére. Felhasználják a rugalmas deformáció által okozott megnyúlást vagy elfordulást, továbbá a mechanikai villamos, mágneses, optikai stb. jellemzőknek erőhatás által fellépő megváltozását.

Az 592 870 és a 604 148 számú svájci szabadalom például olyan mérleget ismertet, amelyben a mérendő súlyerő adott hosszúságú és tömegű húrra hat, és a súlyerő nagyságát a húr rezgésszáma alapján határozzák meg. Ez a mérési megoldás azonban mindig egy segédtömeg alkalmazását igényli, amelylyel a húr előfeszítése elvégezhető. Emellett ezek a mérlegek mindig síkbeli erőrendszerrel működnek, írni további korlátozást jelent.

Elterjedten alkalmazzák az elektronika térhódításával a villamos-elvű mérési módszereket, amelyek fizikai alapját a piezorezisztív jelenség adja. Az ennek alapján elkészített nyúlásmérő bélyegek alkalmasak néhány milligrammtól több száz tonnáig terjedő tartományban a súlyerő és egyéb erők mérésére.

A felsorolt mérési elvek mindegyikének megvalósításához azonban szükséges valamely olyan mecha5 nikai szerkezet, amelynek segítségével egyensúly hozható létre a mérendő erő és a mérésre használt paraméter között.

Az egyensúly létrehozásakor a mérendő erő hatásvonala többnyire eltér a vele egyensúlyt tartó erő 10 hatásvonalától. Ez a helyzet pl. az emelők alkalmazásán alapuló mérlegeknél. Ha azonban az egyensúly a mérendő súlyerő, és a szerkezethez tartozó részben a belső mechanikai feszültség-tér eredője között jön létre, azaz a mérőszámot az anyag15 jellenzőkön keresztül nyerjük, akkor a mérendő súlyerő és az egyensúlyhoz kialakult feszültség-tér egy meghatározott felületen vett eredőjének hatásvonala egybe esnek.

Olyan mérési megoldás is ismert, amelynél a hatásvonalak egymást metszik. Ilyen eset áll elő, ha karos mechanizmusban a két támadáspont és az alátámasztás pontja nem esnek egy egyenesbe, vagy például az inga alkalmazásakor. Az ilyen szerkeze25 teknél a mérést az ismert geometriai viszonyok és az ismert egyensúlyt létrehozó erők teszik lehetővé. A méréshez azonban mindig csupán egyetlen erőt alkalmaznak.

Vannak olyan mérési feladatok is, amelyek meg30 oldásakor két vagy több erő ismeretéből határozzák

-1180975 meg a mérendő erő mérőszámát. Ilyen például a kéttámaszú tartó segítségével végzett mérés.

Az ismertetett mérési elvek és gyakorlati megoldások lehetővé teszik kis erők mérését is. A technika fejlődésével azonban felmerül az igény, hogy a mechanika és a villamosság módszereit alkalmazva a kisebb erők pontos mérését is lehetővé tegyék.

A villamos módszerek térhódításának az szab korlátot, hogy a rendelkezésre álló súlyerő nem tud elég nagy mechanikai feszültséget létesíteni ahhoz, hogy mérhető deformáció vagy anyagjellemző változás jöjjön létre. Ezért szükséges olyan szerkezet kialakítása, amely a rendelkezésre álló mérendő erőt megnöveli. Az ilyen kialakítások a mérőberendezésben, mint egy transzformátorban, megnövelik a mérendő súlyerőt. Ilyen szerkezet pl. az egyenlőtlen karú emelő, amely a mérendő erőt a karok arányában megnöveli. Ez azt jelenti, hogy ahányszor nagyobb erőt kívánunk létrehozni, annyiszor kisebbnek kell az adott határvonalig a kar hosszát megválasztani.

Az ilyen jellegű ismert megoldásoknál a gyártási tűrések határt szabnak az elérhető pontosságnak, így bizonyos mérettartományokban már pontos mérés nem valósítható meg. Emellett ilyen szerkezetek alkalmazásával a rendszer időállandója és egyéb jellemzői is kedvezőtlenül változnak meg.

A jelen találmánnyal a mérendő (súly) erők mintegy 5-100-szoros nagyítása oldható meg, a gyártási méretszórás a mérést lényegében nem befolyásolja és amellyel így pontos mérés végezhető. A kitűzött feladatot a találmány szerint úgy oldottuk meg, hogy a berendezést két - bakállványként ismert egységből építettük fel, ahol az egyes egységek legalább három-három mérőkart tartalmaznak. Valamennyi mérőkar egyetlen közös merev elemhez van kapcsolva oly módon, hogy az egyes egységekben a mérőkarok összekapcsolási pontja a merev elemhez kapcsolt végek által meghatározott síkokon kívül fekszik.

A találmány szerinti berendezés azon a felismerésen alapszik, hogy bármely erő a rá merőleges iránytól kevéssel eltérő és a merőleges irányra szimmetrikusan elhelyezkedő hatásvonalú két erőre bontható, oly módon, hogy ezen erők nagysága annál nagyobb, minél kisebb a két erő hatásvonala által bezárt szög, és a közismert bakállvány rúdjai alkalmasak egy ilyen erőfelbontásra, miközben stabil állapotukat az erők hatása alatt is megtartják.

Úgy találtuk, hogy két bakállvány közös rendszerbe kapcsolható össze oly módon, hogy csúcsaikon azonos hatásvonalú, de ellenkező értelmű erők ébrednek akkor is, ha külső erők a csúcsokat összekötő feszítőrúdra nem hatnak. A bakállvány rúdjaiban ébredő erők a feszítőrúdra ható külső erők esetén is egyensúlyban vannak, azaz a rúderők eredője a mérendő külső erővel tart egyensúlyt. A bakállvány rúdjaiban ébredő erőket mérőérzékelők mérik előjelhelyesen. A geometriai elrendezésből a hatásvonal iránya adott, így a külső erő az egyensúly feltételeiből számítható, aminek elvégzésére elektronikus készüléket alkalmazhatunk. A rúderők érzékelése a rúdban vagy a rúdvégeken lehetséges. A bakállvány ezen rúdjait a továbbiakban mérőkaroknak nevezzük.

A találmány szerinti berendezésben a mérőkarok és a feszítő-rúd célszerűen húzott rudakként vannak kialakítva. Célszerű továbbá, ha a mérőkarok egyenszilárdságú elemként vannak kialakítva.

A mérőkarok lehetnek szimmetrikus vagy aszimmetrikus elrendezésűek. Szimmetrikus elrendezés esetén a felső egység mérőkaijai az alsó egység mérőkaijaihoz képest célszerűen 180°-kai elfordított helyzetben vannak.

A mérendő erő támadásvonala előnyösen egybeesik a feszítőrúd geometriai tengelyével, annak érdekében, hogy az összegezést egyszerűbben lehessen végezni

Más elrendezésben a mérendő erő hatásvonala és a feszítőrúd geometriai tengelye metszik egymást.

A berendezésben a mérőkarok és feszítőrúd is állítószerkezettel lehet ellátva, hogy a pontatlanságok kiküszöbölése érdekében előfeszítést lehessen létrehozni. A mérőkarokba erőmérő érzékelők vannak beépítve, amelyek jeleiből és a geometriai elrendezésre jellemző állandókból elektronikus egység a mérendő erő mérőszámát szolgáltatja.

A találmány további részleteit kiviteli rajz segítségével ismertetjük. A rajzon az

1. ábra a találmány alapgondolatát ismertető vázlat, a

2. ábra az ismert bakállvány rajza, a

3. ábra a találmány szerinti berendezés egy célszerű kiviteli alakjának elvi vázlata, a

4. ábra a találmány szerinti berendezés egy konkrét kiviteli alakjának részlete, az

5. ábra a mérőellenállások elhelyezését mutatja, és a

6. ábra a mérés vázlata, mérőellenállások alkalmazása esetén.

Találmányunk alapja a következő gondolatmenet. A mechanikai gyakorlatból ismert, hogy egy kötél vízszintes kifeszítéséhez végtelen erők szükségesek. Az 1. ábrán látható, hogy az A és B végpontokban megfogott kötél D pontjában ható F erőhöz az a szögtől függően igen nagy R, és R_h reakció erők tartozhatnak.

Az A, B végpontok és D pont (csomópont) egy síkban vannak és az F erő statikailag határozott helyzetet hoz létre. A mechanikai rendszerekben mindig jelenlevő rezgések azonban a D pontot könnyen kimozdíthatják és a rendszert instabillá tehetik.

Ezt úgy lehet megakadályozni, hogy a D pontot egy, az AB iránytól eltérő CE irányban fekvő C és E pontokban megkötjük. Ily módon ez a könnyen felborítható stabil helyzet a CD és DE irányú erők segítségével fenntartható. A szerkezet azonban statikailag így határozatlan. Statikailag határozottá tehető, ha például DE irányú kötél ágat elhagyjuk. Azaz, határozott statikai helyzetet egy olyan A, B, és C végpontokból álló rendszer biztosíthat, amelynek közös D pontja van és amelyben az AB, BD és CD irányokban rudak vagy kötelek vannak elhelyezve. Ez a szerkezet a mechanikában bakállvány néven régóta ismert (lásd 2. ábra). Ily módon a kötél-elv és a bakállvány egyesítésével olyan szer kezet hozható létre, amely egy ténylegesen ható ere

-2180975 meghatározását lehetővé teszi a rúderők mérése, és a szerkezet geometriái viszonyainak ismerete révén.

A 2. ábrán látható bakállvány egyensúlyi viszonyait a D pont (csomópont) és az A, B, C pontok kialakításától függően vizsgálhatjuk. A bakállványt 5 alkotó AD, BD és CD irányú rudak vagy . kötelek találmányunkban a mérőkarokat képviselik. Két ilyen bakállványnak a 3. ábrán látható módon történő összekapcsolásával létrehozható a találmány szerinti berendezés. 10

A 3. ábrán látható megoldásnál a berendezés olyan csuklókból és mérőrudakból álló szerkezet, amelyben az A, B és C végpontokban levő csuklók egymástól egyenlő távolságban helyezkednek el, és a szaggatott vonallal jelzett 5 házhoz csatlakoznak. Hasonló módon az L, M és N végpontokban levő csuklók is körív mentén helyezkednek el. A bakállvány rudak, a mérőkarok szabad végei a bakállvány csúcsaiban, az Sj, illetve S₂ pontokban vannak összekapcsolva. Az S, és S₂ pontokat feszítőrúd köti össze. Az · Sí és S₂ pontok megegyeznek, külön-külön a 2. ábra D pontjával. Ha most erre az egyensúlyban levő rendszerre az ábrán látható G súlyerő hat, a feszítő rúd végein levő Sí és S₂ pontok Δ1 értékkel elmozdulnak, tehát a felső egység mérőkaijai megnyúlnak, az álsó egység mérőkaijai összenyomódnak. A deformáció után a rendszer ismét egyensúlyba kerül.

Ha ismerjük a rendszer jellemzőit (geometria, rúderők nagysága) a G súlyerő vagy terhelés hatása előtt, az ismeretlen G súlyerő vagy terhelés nagysága meghatározható mérőkarokon mért erők megváltozott nagyságából. A mérőkarokban ébredő erők nagyságát erőrézékelőkkel mérjük. Elhelyezésük egy lehetséges példáját a 4. ábra mutatja.

A 4. ábrán a találmány szerinti berendezés egy kiviteli alakjának egy része. A 3. ábrán látható, hogy a C, Sí, S₂ és N pontok egy síkban fekszenek. Ezen közös síkban fekvő részek kialakítását mutatja a 4. ábra. Az ábrán látható, hogy a mérőkarokba 1 erőérzékelők vannak beépítve. Emellett valamennyi mérőkar 2 állítószerkezettel van ellátva a megfelelő előfeszítés érdekében. Hasonló okból van a feszítőrúd is 2 állítószerkezettel ellátva. Ezzel végezhető el a két bakállvány egymáshoz képest történő előfeszítése. Az előfeszítéssel a gyártási tűrések, az illesztési játékok, valamint a mérendő erők hatásvonalának bizonytalanságát lehet kiküszöbölni.

A találmány szerinti berendezéssel a mérést úgy végezzük, hogy a G~O súlyerő állapotban a mérőkarok 1 erőérzékelőik által észlelt erőket tekintjük 0 értéknek és a G súlyerő vagy terhelés hatására beálló erőértékekből vektoriális összegezés segítségével nyeljük a terhelés mérőszámát.

A berendezést célszerű úgy kialakítani, hogy a mérendő G súlyerő vagy terhelés hatásvonala a feszítőrúd geometriai tengelyével egybeessen, mert a számítás ez esetben a legegyszerűbb.

Tekintettel arra, hogy a találmány szerinti berendezésben erővektorok között jön létre az egyensúlyi állapot, a mérés lényegében vektoriális összegezést, illetve kivonást jelent. Ez rendkívül egyszerűen megoldható villamos feszültségek összegezéseként, amikor is közvetlenül a terheléssel arányos kimenőjelet lehet előállítani. Célszerű, ha az egyes mérőkarokba beépítve erőérzékelőként nyúlásérzékelő ellenállásokat alkalmazunk félhídba vagy teljes hídba kapcsolva. Az 5. ábrán olyan megoldást mutatunk be, amelynél az 1 erőérzékelőket az A, B, C, L, M és N végpontokban helyeztük el. Az 1 erőérzékelőkön vannak az Rj, R₂, R₃ és R, nyúlásérzékelő ellenállások Az 1 erőérzékelőkre közvetlenül hatnak a mérőkarokban ébredő rúderők.

A G súlyerő vagy terhelés nagy pontosságú mérését úgy valósítottuk meg, hogy az egyes 1 erőérzékelők Rj, R₂, R₃ és R4 nyúlásérzékelő ellenál15 lásaiból a 6. ábra szerinti mérőhidat építettük fel. A kapcsolási rajzon feltüntettük a nullhelyzet beállító és hőmérséklet kompenzáló r₀ illetve r_t ellenállásokat, valamint az érzékenység beállító és hőmérsékletkompenzáló R_o, R_T ellenállásokat is, 20 valamint az R_n normáló ellenállást. A bemutatott rendszerrel a G súlyerő vagy terheléssel arányos kimenő jelet nyerünk.

Az elmondottakból látható, hogy a találmány szerinti megoldás lehetővé teszi igen kis erők tetsző25 leges mértékű feltranszformálását, és ezzel pontos mérését Jóllehet a bemutatott példában az egyes egységek három-három rudat tartalmaztak, de kialakítható a berendezés ennél több mérőkar alkalmazásával is. A mérőkarok számának növelésével egy 30 membrán kialakítást közelítünk meg. Ha a berendezésben a feszítőrúdhoz kapcsolódó egységekként membránokat alkalmazunk és a mérőrúd rúdirányát az Rj .... R₄ nyúlásérzékelő ellenállások mérőirányainak sugárirányával jelöljük ki illetve feleltetjük 35 meg, úgy az előzőekhez hasonló módon nyerhetjük a terhelés mérőszámát.

Claims (16)

1. Szabadalmi igénypontok:

   1. Berendezés kis súlyerők mérésére, azzal jellemezve, hogy legalább 3—3 egymással egy pontban összekapcsolt mérőkart tartalmazó két egységből áll, ahol az egyes egységek mérőkaijainak összekapcso-

   45 lási pontjai (Sj, S₂) feszítőrúddal vannak összekötve és a mérőkarok szabad végei egyetlen merev elemhez: házhoz (5) vannak kapcsolva oly módon, hogy az egyes egységekben a mérőkarok összekapcsolási pontjai (Sí, S₂) a házhoz (5) kapcsolt vég50 pontok (A, B, C és L, Μ, N) által meghatározott síkokon kívül fekszenek.
2. 2. Az 1. igénypont szerinti berendezés kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a mérőkarok húzott rudakként vannak kialakítva.

   55
3. 3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti berendezés kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a feszítőrúd húzott rúdként van kialakítva.
4. 4. Az 1-3. igénypontok bármelyike szerinti berendezés kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a

   60 mérőkarok a merev elemhez csuklósán vannak csatlakoztatva.
5. 5. Az 1-3. igénypontok bármelyike szerinti berendezés kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a mérőkarok a merev elemhez befogott tartóként van-

   65 nak csatlakoztatva.

   -3180975
6. 6. Az 5. igénypont szerinti berendezés kivitel· alakja, azzal jellemezve, hogy a mérőkarok egyenszilárdságú elemként vannak kialakítva.
7. 7. Az 1—6. igénypontok bármelyike szerinti berendezés kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a mérőkarok szimmetrikus elrendezésűek.
8. 8. A 7. igénypont szerinti berendezés kivitel· alakja, azzal jellemezve, hogy a felső egység mérőkarjai az alsó egység mérőkaijaihoz képest 180°-kal elfordított helyzetben vannak.
9. 9. Az 1-6. igénypontok bármelyike szerinti berendezés kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a mérőkarok aszimmetrikus elrendezésűek.
10. 10. Az 1. igénypont szerinti berendezés kivitel· alakja, azzal jellemezve, hogy legalább az egyik egység végtelen számú mérőkarból áll, amelyek membránt alkotnak.
11. 11. Az 1-10. igénypontok bármelyike szerinti berendezés kivitel· alakja, azzal jellemezve, hogy a mérendő erő támadásvonala a feszítőrúd geometriai tengelyével egybeesik.
12. 12. Az 1-11. igénypontok bármelyike szerinti berendezés kivitel· alakja, azzal jellemezve, hogy a mérőkarok állítószerkezettel (2) vannak ellátva.
13. 13. Az 1-12. igénypontok bármelyike szerinti 5 berendezés kivitel· alakja, azzal jellemezve, hogy a feszítőrúd állítószerkezettel (2) van ellátva.
14. 14. Az 1-13. igénypontok bármelyike szerinti berendezés kivitel· alakja, azzal jellemezve, hogy a mérőkarokba erőérzékelők (1) vannak beépítve.

    ¹⁰ 15. Á 14. igénypont szerinti berendezés kivitel· alakja, azzal jellemezve, hogy az erőérzékelők nyúlásérzékelő ellenállások (Rj, R₂, R₃, K, ...).

    16. A 15. igénypont szerinti berendezés kivitel· alakja, azzal jellemezve, hogy a nyúlásérzékelő ellen-
15. 15 állások (Rj, R₂, R₃, R₄) fél hídba vannak kapcsolva.
16. 17. A 15. igénypont szerinti berendezés kivitel· alakja, azzal jellemezve, hogy a nyúlásérzékelő ellenállások (Rj, R₂, R₃ ...) teljes hídba varrnak kap-

    20 csolva.