PL216403B1 - Sposób i układ do pomiaru siły, zwłaszcza siły nacisku - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ elektryczny służący do pomiaru siły, zwłaszcza siły nacisku, przy pomocy belki dowolnej długości o dowolnym przekroju poprzecznym, podpartej w sposób dowolny z obu stron, mającej odcinek swobodny, to znaczy nie podparty w żaden sposób, zwany odcinkiem pomiarowym, na którym w dwóch dowolnie położonych przekrojach są zamocowane dwa przetworniki mierzące naprężenia styczne, występujące od sił tnących.

Znane jest z opisu patentowego amerykańskiego US 3,734,216 z roku 1973 rozwiązanie, gdzie są stosowane dwa przetworniki tensometryczne, których zadaniem jest podanie sygnału gdy siła jest przyłożona w połowie odległości pomiędzy nimi, uzyskany sygnał służy do odczytu wartości z przetwornika mierzącego ugięcie belki. W patencie są opisane różne sposoby kształtowania belki (w tym patencie jest to szyna kolejowa) w celu uzyskania odpowiedniego kształtu ugięcia belki.

Znane jest z opisu zgłoszenia patentowego japońskiego 55016226Az roku 1980, „Urządzenie do pomiaru wagi koła”, w którym jako zastosowanie podano: dokładny pomiar ważenia przejeżdżającego koła bez zakłóceń poprzez zadziałanie przełącznika, który uzyskuje sygnał sterujący, gdy otrzyma logiczny wynik z sygnałów ważenia koła otrzymywanych z dwóch tensometrów.

Działanie układu jest opisane w patencie następująco: sygnały sił tnących rozpoznawane przez sygnały otrzymywane z dwóch przetworników tensometrycznych są dostarczane do układu AND (układ logiczny) po ich uprzednim wzmocnieniu i filtrowaniu. Kiedy logiczny sygnał uzyskany z powyższych sygnałów się utrzymuje, to jest gdy falowa forma tych sygnałów po ich dostarczeniu do układu logicznego AND daje na jego wyjściu sygnał prostokątny, to sygnał ten 5 jest dostarczany do układu zwanego sterującym. Układ sterujący przesyła sygnał komendy do układu zatrzymującego wyższą wartość.

Z drugiej strony fala prostokątna, której wysokość jest równa wartość sygnału z jednego z dwóch tensometrów (podane jest, że z pierwszego licząc od lewej) jest dostarczana, z układu zwanego operatorem, do układu zwanego „hołd”. Układ „hołd” po otrzymaniu komendy z układu sterującego dostarcza sygnał impulsowy do układu zwanego rejestrem. Po tym wszystkim sygnał wyzwalający jest podawany do układu rejestru jako sygnał „reset” z układu sterującego, zatrzymana wartość szczytowa sygnału jest czyszczona.

Z powyższego opisu wynika, że sygnały z dwóch tensometrów są wykorzystywane do uzyskania impulsu, w chwili gdy sygnały z nich są równe sobie (taka jest definicja działania zastosowanego układu AND). Wówczas jest zapamiętywana wartość sygnału z jednego z dwóch tensometrów (podane jest, że z pierwszego licząc od lewej) i jest ona uznawana jako wynik pomiaru.

Znane jest z opisu patentowego amerykańskiego US 6,653,57/1 B1 z roku 2003 rozwiązanie, gdzie są stosowane dwa przetworniki sił tnących zamocowane w szyjce szyny kolejowej (belce), aby stwierdzić czy przyłożona siła jest pomiędzy nimi i jeżeli tak jest to dać sygnał do przetwarzania siły przez przetworniki podpierające szynę (belkę) skonstruowanych jako urządzenia mierzące siłę nacisku.

Wadą opisanych rozwiązań w stanie techniki jest to, że w opisanych urządzeniach występuje trudność uniemożliwiającą uzyskanie precyzyjnych wyników pomiarów ze względu na to, że 30 wskazanie wyników pomiaru uzależnione jest od punktu przyłożenia siły do belki, którą stanowi szyna kolejowa.

Celem wynalazku jest wyeliminowanie powyższych niedogodności. Cel ten osiągnięto przez sposób i układ do pomiaru siły, zwłaszcza siły nacisku, przy pomocy belki podpartej z obu stron.

Celem wynalazku jest ponadto podanie nowego sposobu i układu do pomiaru siły, zwłaszcza siły nacisku, możliwego do szerokiego zastosowania we wszelkiego rodzaju urządzeniach mierzących siły, np. w urządzeniach ważących.

Sposób pomiaru siły, zwłaszcza siły nacisku, przy pomocy belki podpartej z obu stron, w sposób dowolny, posiadającej swobodny odcinek pomiarowy o dowolnej długości, przy czym na odcinku pomiarowym w dwóch oddalonych od siebie przekrojach belki montuje się dwa przetworniki naprężeń stycznych, charakteryzuje się tym, że mierzy się w sposób ciągły dwie siły tnące, w dwóch przekrojach pomiarowych, poprzez pomiar naprężeń stycznych uzyskanych z dwóch zamocowanych w tych przekrojach przetworników, a następnie odejmuje się tak zmierzone wartości sił tnących, przez co uzyskuje się różnicę zmierzonych wartości sił tnących, która jest równa mierzonej sile, gdy siła jest przyłożona do belki pomiędzy dwoma przekrojami pomiarowymi.

PL 216 403 B1

Układ do pomiaru siły, zwłaszcza siły nacisku, przy pomocy belki podpartej z obu stron, w sposób dowolny, posiadającej swobodny odcinek pomiarowy o dowolnej długości, przy czym na odcinku pomiarowym w dwóch przekrojach belki są zamocowane dwa przetworniki naprężeń stycznych, charakteryzuje się tym, że wyjścia przetworników naprężeń stycznych są dołączone do dwóch osobnych wejść wzmacniacza różnicowego, którego wyjście jest dołączone do układu przetwarzającego.

Korzystnie, do wzmacniacza różnicowego dołączone jest źródło sygnału referencyjnego.

Korzystnie układ przetwarzający stanowi układu procesorowy zawierający przetwornik analogowo-cyfrowy.

Szeroko stosowanymi sposobami pomiaru siły są sposoby oparte na pomiarach naprężeń ściskających, naprężeń gnących jak również ugięć elementów zginanych przez moment gnący, natomiast nie stosuje się metod opartych na pomiarach naprężeń stycznych. Przyczyną tego jest jeden podstawowy fakt, że w przypadku belki zginanej poprzecznie mierzone naprężenia styczne mają mały, a właściwie zerowy wpływ na względne wydłużenia włókien belki i że wydłużenia te zależą głównie od momentu gnącego. Wynika to z badań doświadczalnych, jak również z teorii sprężystości. Jednak nie oznacza to, że nie można wykorzystać pomiaru naprężeń stycznych do pomiaru siły. Wartości tych naprężeń, mierzonych w dwóch przekrojach pomiarowych, będą zależne od punktu przyłożenia siły tzn. jeżeli przesuniemy punkt przyłożenia siły to również mierzone wartości naprężeń stycznych się zmienią, ale różnica tych naprężeń pozostanie stała. To zjawisko zostało wykorzystane w wynalazku. Udało się bowiem wyeliminować przy pomiarze siły przykładanej do belki, konieczność pomiaru naprężeń gnących, co eliminuje konieczność precyzyjnego określenia punktu przyłożenia siły do belki.

Dodatkowo efektem uzyskanym dzięki sposobowi według wynalazku jest to, że gdy pomiędzy przekrojami, z przetwornikami, są przyłożone dwie lub więcej sił to otrzymany sygnał różnicowy z przetworników będzie proporcjonalny do sumy tych sił. Efekt ten wynika z zasady superpozycji naprężeń.

Sposób i układ według wynalazku jest bliżej objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym:

Fig. 1 przedstawia schematycznie belkę z odcinkiem pomiarowym i dwoma przetwornikami sił tnących oraz wykres wyniku pomiaru otrzymanego sposobem według wynalazku,

Fig. 2 przedstawia schematycznie układ do realizacji sposobu według wynalazku.

Sposób pomiaru siły prostopadłej do belki 3, przedstawionej na Fig. 1, o dowolnej długości i dowolnym przekroju poprzecznym, który 5 może być zmiennym wzdłuż długości, podpartej w sposób dowolny z obu stron, np. jak pokazano na Fig. 1 podporami 4 i 5, posiadającej swobodny (tzn. nie podparty w żaden sposób) odcinek pomiarowy 1 o dowolnej długości, przy czym na odcinku pomiarowym w dwóch oddalonych od siebie przekrojach belki są zamocowane dwa przetworniki P1 i P2 naprężeń stycznych, jest wykonywany następująco: mierzy się w sposób ciągły dwie siły tnące, siłę tnącą w przekroju pomiarowym AA i siłę tnącą w przekroju pomiarowym BB, poprzez pomiar naprężeń stycznych uzyskanych z dwóch przetworników P1 i P2, przy czym w przekrój pomiarowy AA leży w odległości a od lewej podpory, a dwa przekroje pomiarowe AA i BB są odległe od siebie o odcinek b leżący wewnątrz odcinka pomiarowego I, określającego odległość między podporami 4, 5 i nie podpartego w żaden sposób, mierzona siła Q jest przyłożona do belki w odległości x od lewej podpory belki 4, i gdy x e< a, a+b > wówczas różnica zmierzonych sił tnących w przekroju pomiarowym AA i przekroju pomiarowym BB, wynosi ΔΤ[χ] i jest równa mierzonej sile Q, to znaczy jest ΔΤ[χ] = Q. Natomiast gdy x e[0, a > lub x e< a+b, I] to wartość różnicy mierzonych sił tnących ΔΤ[χ] wynosi zero i siła Q nie jest mierzona. Zatem różnica wartości naprężeń stycznych z tych dwóch przekrojów jest stała i proporcjonalna do przyłożonej siły, gdy siła jest przyłożona pomiędzy tymi przekrojami, natomiast gdy siła jest przyłożona w dowolnym innym punkcie poza odcinkiem między tymi przekrojami to różnica wartości tych naprężeń stycznych wynosi zero. Układ do pomiaru siły w belce o dowolnym przekroju i dowolnej długości, podpartej w sposób dowolny, z obu stron, posiadającej swobodny (nie podparty w żaden sposób) odcinek pomiarowy o dowolnej długości, przy czym na odcinku pomiarowym w dwóch przekrojach belki są zamocowane dwa przetworniki naprężeń stycznych, został przedstawiony na Fig. 2. W przedstawionym układzie wyjścia przetworników (P1, P2) naprężeń stycznych są dołączone do dwóch osobnych wejść wzmacniacza różnicowego 1, którego wyjście jest dołączone do układu przetwarzającego 2. Do wzmacniacza różnicowego dołączone jest źródło sygnału referencyjnego R. Układ przetwarzający 2 stanowi układu procesorowy zawierający przetwornik analogowocyfrowy, który otrzymany wzmocniony sygnał różnicowy przetwarza na wartość mierzonej siły Q możliwej do odczytania na urządzeniu zewnętrznym.

PL 216 403 B1

Przedstawiony układ działa w sposób następujący: w wyniku działania siły Q powstają sygnały w przetwornikach naprężeń stycznych P1 i P2, sygnały te są dołączone do dwóch osobnych wejść wzmacniacza różnicowego 1, korzystnie wzmacniacza różnicowego z sygnałem referencyjnym R. Sygnał różnicowy po wzmocnieniu przez wzmacniacz 1 jest dostarczany do układu przetwarzającego 2, korzystnie układu procesorowego zawierającego przetwornik analogowo-cyfrowy, który otrzymany wzmocniony sygnał różnicowy przetwarza na wartość mierzonej siły Q możliwej do odczytania na urządzeniu zewnętrznym np. wyświetlaczu lub monitorze, zapisania w dowolnej formie elektronicznej lub przesłania do innego urządzenia np. drukującego.

Podany sposób pomiaru siły, zwłaszcza siły nacisku może mieć szerokie zastosowanie w urządzeniach wagowych - wagach mierzących małe masy, czyli do ok. 1 kg, poprzez wagi stacjonarne mierzące do kilku tysięcy kilogramów, do wag dużych mierzących masy rzędu od kilku do kilkudziesięciu megagramów. W szczególności podany sposób pomiaru siły a co za tym idzie masy, umożliwia uzyskanie dużej prędkości pomiaru poprzez zastosowanie elementów o bardzo dużej sztywności na zginanie, dzięki czemu może mieć szerokie zastosowanie do pomiarów nacisków i masy pojazdów samochodowych i pojazdów szynowych będących w ruchu - przy czym prędkość pomiarowa poruszających się pojazdów zależy od szczegółowych rozwiązań konstrukcyjnych urządzeń ważących. Na podstawie przeprowadzonych doświadczeń można stwierdzić, że jest możliwa budowa urządzeń, dla których prędkość maksymalna, przy której poprawnie wykonuje się pomiary, może wynosić ponad 200 km/h dla pojazdów samochodowych, a w przypadku pojazdów szynowych nawet ponad 350 km/h.

W opisie wynalazku nie podano jakiego rodzaju przetworniki pomiarowe (zaznaczone na fig. 1 i fig. 2 jako P1 i P2) służące do pomiaru naprężeń stycznych występujących od sił tnących należy stosować, gdyż z punktu widzenia opisanego sposobu pomiaru nie ma to znaczenia. Najczęściej stosuje się przetworniki tensometryczne ale można stosować przetworniki półprzewodnikowe, laserowe czy też inne mierzące odkształcenia postaciowe.

Sposób według wynalazku może służyć do pomiaru różnego rodzaju sił, nie tylko do pomiaru siły nacisku. Przykładowo może on służyć do pomiaru siły naciągnięcia liny w konstrukcjach mostowych, czy też siły na haku lokomotywy.

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób pomiaru siły, zwłaszcza siły nacisku, przy pomocy belki podpartej z obu stron, w sposób dowolny, posiadającej swobodny odcinek pomiarowy o dowolnej długości, przy czym na odcinku pomiarowym w dwóch oddalonych od siebie przekrojach belki są zamocowane dwa przetworniki naprężeń stycznych, znamienny tym, że mierzy się w sposób ciągły dwie siły tnące, w dwóch przekrojach pomiarowych, poprzez pomiar naprężeń stycznych uzyskanych z dwóch zamocowanych w tych przekrojach przetworników, a następnie odejmuje się tak zmierzone wartości sił tnących, przez co uzyskuje się różnicę zmierzonych wartości sił tnących, która jest równa mierzonej sile, gdy siła jest przyłożona do belki pomiędzy dwoma przekrojami pomiarowymi.
2. 2. Układ do pomiaru siły, zwłaszcza siły nacisku, przy pomocy belki podpartej z obu stron, w sposób dowolny, posiadającej swobodny odcinek pomiarowy o dowolnej długości, przy czym na odcinku pomiarowym w dwóch przekrojach belki są zamocowane dwa przetworniki naprężeń stycznych, znamienny tym, że wyjścia przetworników (P1, P2) naprężeń stycznych są dołączone do dwóch osobnych wejść wzmacniacza różnicowego (1), którego wyjście jest dołączone do układu przetwarzającego (2).
3. 3. Układ według zastrz. 2, znamienny tym, że do wzmacniacza różnicowego dołączone jest źródło sygnału referencyjnego (R).
4. 4. Układ według zastrz. 2 albo 3, znamienny tym, że układ przetwarzający (2) stanowi układ procesorowy zawierający przetwornik analogowo-cyfrowy.