PL216850B1 - Przenośny komparator masy - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest przenośny komparator masy. Znajduje on zastosowanie do kalibrowania wzorców masy, w szczególności wzorców dużych mas.

Dokładność pomiaru ciężaru ma szczególne znaczenie przy wzorcowaniu wzorców masy, a wpływ na nią mają następujące czynniki: dokładność przetwarzania czujnika tensometrycznego wynikająca z jego rozdzielczości i powtarzalności (pełzanie, histereza), dokładność przetwarzania wynikająca z powtarzalności umiejscowienia punktu i dokładnie pionowego kierunku przyłożenia siły działającej na pole podparcia przetwornika, a także dokładność wynikająca ze szkodliwego wpływu temperatury na sygnał wyjściowy przetwornika i dokładność przetwarzania tego sygnału.

W konwencjonalnych metodach i urządzeniach ważenie, wzorcowanie mas polega na uzyskaniu mechanicznej równowagi między nieznanym ciężarem, a znanym wzorcem wagowym. W tym celu nieznaną lub wzorcowaną masę umieszcza się na jednym końcu, a znany wzorzec - na drugim końcu ostrzowo podpartej belki balansowej. Niedogodnością tych metod jest stosunkowo długi czas uzyskiwania równowagi mechanicznej między porównywanymi masami i konieczność stosowania specjalnych środków zabezpieczających dla ochrony ostrzowych końcówek łożysk. Czas kalibracji tą metodą jest zbyt długi zwłaszcza w przypadku, gdy trzeba dokonać wielu pomiarów w określonym, założonym przedziale czasowym, a dokładność i stabilność pomiarów zbyt mała, aby rozwiązania takie nadawały się do celów wzorcowania mas.

Inną grupę rozwiązań w tym zakresie stanowią urządzenia pomiarowe, w których wykorzystuje się elementy zamieniające mechaniczne odkształcenie, w tym przypadku pod wpływem badanego ciężaru, na sygnał elektryczny. W urządzeniach tych sygnał wywołany przez wzorcowaną/ważoną masę porównuje się z wzorcem masy. Komparatory tego typu wyposażone są w elektroniczne urządzenia pomiarowe, a w celu automatyzacji procesów pomiarowych - w urządzenia komputerowe. Budowa komparatorów z przetwornikami tensometrycznymi zależy od ich przeznaczenia, miejsca stosowania i wielkości mierzonych mas. Jedną grupę takich urządzeń stanowią rozwiązania, w których badany ciężar umieszczany jest na platformie przenoszącej siłę nacisku na znajdujący się pod nią przetwornik. Znany jest z opisu patentowego US 5 652 411 komparator z przetwornikiem tensometrycznym usytuowanym pod sztywną płytą, na której umieszcza się mierzony ciężar. W rozwiązaniu tym pomiędzy tą płytą a przetwornikiem znajduje się co najmniej jedna samocentrująca belka wspornikowa, której zadaniem jest kompensacja ewentualnego niecentrycznego położenia mierzonej masy na płycie-platformie. Inną grupę stanowią komparatory masy z uchwytami do zawieszania. Znany jest z opisu patentowego US 4 523 653 komparator masy zawierający przetwornik tensometryczny połączony swym górnym końcem z ruchomą płytą za pomocą samonastawnego połączenia, takiego jak przegub Cardana (złącze uniwersalne). Ruchoma płyta jest zamocowana przesuwnie na wielu rolkach znajdujących się pomiędzy stałą górną płytą i stałą dolną płytą. Pomiędzy górną płytą i ruchomą płytą zamontowane są sprężyny i amortyzatory. Dolny koniec przetwornika jest połączony z wzorcowaną masą poprzez specjalnej konstrukcji złącze - przegub Cardana, łożysko osiowe i łożysko ograniczające. Komparator ten posiada dwa uchwyty z otworami, górny i dolny, przeznaczone do zawieszania urządzenia i kalibrowanego ciężaru. Elementy komparatora zamknięte są w cylindrycznej obudowie, która zabezpiecza przed ich uszkodzeniem oraz przed warunkami atmosferycznymi.

Na dokładność pomiarów wykonywanych przy pomocy przetwornika tensometrycznego szkodliwy wpływ mają zmiany jego temperatury. Jest to szczególnie istotne dla komparatorów przenośnych, które pracują w różnych miejscach o różnych warunkach temperaturowych, a dodatkowo są transportowane, w jeszcze innych warunkach termicznych, do miejsca komparacji. Minimalizację wpływu zmian temperatury realizuje się w różny sposób, np. poprzez obudowy izolujące przetwornik od warunków atmosferycznych. W przypadku, gdy komparator jest przenośny i temperatura przetwornika, np. z powodu warunków termicznych transportu, znacznie różni się od temperatury otoczenia, w której wykonywane są pomiary, przed ich rozpoczęciem trzeba te temperatury wyrównać. W celu stabilizacji temperatury wyrównuje się różnice między temperaturą otoczenia i temperaturą przetwornika tensometrycznego. Może się to odbywać w długim czasie poprzez samoczynne wyrównanie temperatur. Proces ten można przyspieszyć stosując podgrzewanie urządzenia. W znanych rozwiązaniach, w szczególności komparatorów przenośnych, elementy grzejne są oddzielnymi elementami, niezależnymi od elementów konstrukcyjnych komparatora.

Przenośny komparator masy mający wewnątrz obudowy przetwornik tensometryczny zamocowany do sztywnej płyty i zaopatrzony w dolnej i górnej części w uchwyty według wynalazku charaktePL 216 850 B1 ryzuje się tym, że ma cztery poziome płyty usytuowane jedna nad drugą i połączone ze sobą prostopadłymi do nich kolumnami w dwie pary tak, że jedną parę stanowi płyta dolna i pierwsza płyta środkowa, a drugą parę stanowi płyta górna i druga płyta środkowa znajdująca się pomiędzy płytą dolną i pierwszą płytą środkową, a przetwornik tensometryczny znajduje się pomiędzy płytami środkowymi i zamocowany jest do jednej z nich.

Korzystnie jest, gdy przetwornik tensometryczny zamocowany jest do górnej powierzchni drugiej płyty środkowej.

W innym wariancie przetwornik tensometryczny zamocowany może być do dolnej powierzchni pierwszej płyty środkowej.

Poziome płyty w każdej parze połączone są trzema prostopadłymi do nich kolumnami w trzech miejscach tworzących wierzchołki trójkąta, zwłaszcza równobocznego.

Dwie pary poziomych płyt są usytuowane względem siebie tak, że prostopadłe do nich kolumny tworzą wierzchołki sześciokąta, zwłaszcza regularnego.

Poziome płyty mają zarys jednakowych trójkątów, zwłaszcza równobocznych.

Korzystnie jest, gdy co najmniej jedna z poziomych płyt zaopatrzona jest w ogranicznik.

Szczególnie korzystna jest konstrukcja, w której kontakt pomiędzy aktywną powierzchnią przetwornika tensometrycznego i powierzchnią przeciwległej płyty środkowej realizuje gniazdo o przynajmniej częściowo sferycznej powierzchni i osadzony w nim trzpień z przynajmniej częściowo sferyczną powierzchnią natarcia.

Górny i dolny uchwyt komparatora zaopatrzone są w łożyska kulowe i usytuowane są we wzajemnie prostopadłych płaszczyznach.

Obudowa urządzenia ma postać co najmniej dwóch jednostronnie zamkniętych pojemników umieszczonych jeden w drugim tak, że ich ściany boczne nie stykają się ze sobą.

Pojemniki tworzące obudowę mają w korzystnej postaci kształt cylindrów.

Co najmniej jeden z pojemników zaopatrzony może być w kołnierz.

Wewnętrzna ściana wewnętrznego pojemnika zaopatrzona jest w element grzejny.

W szczególnie korzystnym wariancie realizacji, element grzejny połączony jest z układem stabilizacji temperatury.

W układzie stabilizacji temperatury zasilacz połączony jest z blokiem sterującym, do którego dołączony jest czujnik temperatury otoczenia i czujnik temperatury komparatora.

Wygodnie jest, gdy blok sterujący zaopatrzony jest w nastawę ręczną i nastawę automatyczną.

Konstrukcja i sposób stabilizacji temperatury w rozwiązaniu według wynalazku zapewnia szybkie wzorcowanie dużych mas z bardzo wysoką stabilnością, dokładnością i rozdzielczością.

Przykład realizacji wynalazku zilustrowany jest rysunkiem, na którym fig. 1 przedstawia przekrój podłużny komparatora, fig. 2 - kształt i wzajemne usytuowanie elementów płytowych, a fig. 3 - schemat blokowy układu stabilizacji temperatury.

W pokazanym przykładzie realizacji przenośny komparator zbudowany jest z czterech jednakowych, sztywnych poziomych płyt 1, 2, 3, 4 usytuowanych jedna nad drugą i połączonych ze sobą parami za pomocą prostopadłych do nich kolumn 5. Jedną parę tworzy płyta dolna 1 i pierwsza płyta środkowa 2, a drugą parę - płyta górna 3 i druga płyta środkowa 4. Wszystkie płyty mają jednakową wielkość i kształt trójkąta równobocznego, którego krawędzie mają w środkowej części łukowe wgłębienia. Dwie płyty w każdej z par połączone są trzema prostopadłymi do nich kolumnami 5 umiejscowionymi w wierzchołkach trójkąta równobocznego, a dwa bloki utworzone przez te dwie pary płyt są względem siebie przesunięte o kąt 45° tak, że pionowe kolumny obu bloków tworzą wierzchołki sześciokąta regularnego i znajdują się naprzeciw łukowych wgłębień w krawędziach płyt. Do górnej powierzchni drugiej płyty środkowej 4 zamocowany jest za pomocą śrub 14 przetwornik tensometryczny 6. Co najmniej jedna z poziomych płyt zaopatrzona jest w ogranicznik 7, który jest elementem ograniczającym poziome ruchy względem siebie bloków utworzonych przez połączone ze sobą płyty. Siła ściskająca działająca na przetwornik tensometryczny 6 od pierwszej płyty środkowej przekazywana jest za pomocą podpory w postaci gniazda 8 o powierzchni sferycznej osadzonego w środku przetwornika tensometrycznego i walcowatego trzpienia 9 ze sferyczną powierzchnią natarcia. Konstrukcja ta zamknięta jest w obudowie, którą tworzą dwa pojemniki 10, 11 o kształcie cylindrów umieszczone jeden w drugim w taki sposób, że ich ściany boczne nie stykają się ze sobą. Cylindryczne pojemniki 10, 11 są jednostronnie zamknięte z przeciwnych stron, przy czym jeden z nich zaopatrzony jest w kołnierz 12 tworzący pokrywę, a do każdego z nich zamocowana jest jedna z par płyt za pomocą nakrętek z podkładkami 13 na przedłużeniu pionowych, prostopadłych do płyt kolumn 5. Wewnętrzny cylindryczny

PL 216 850 B1 pojemnik 11 obudowy pokryty jest na swej wewnętrznej powierzchni matą grzejną stanowiącą element grzejny 15. Od góry i od dołu komparator zaopatrzony jest w dwa uchwyty 16, górny i dolny, które na końcach mają łożyska kulowe 17 tworzące kuliste przeguby usytuowane tak, że tworzą dwie wzajemnie prostopadłe płaszczyzny. Uchwyty 16 oraz gniazdo 8 i trzpień 9 podpory usytuowane są w jednej osi stanowiącej środek geometryczny układu płyt 1, 2, 3, 4 i przetwornika tensometrycznego 6. Element grzejny 15 połączony jest za pomocą zewnętrznego przewodu ze znajdującym się na zewnątrz konstrukcji komparatora układem stabilizacji temperatury US. Układ ten zawiera zasilacz Z połączony z blokiem sterującym S, do którego wejść dołączone są wyjścia dwóch czujników: czujnika temperatury otoczenia TO i czujnika temperatury wnętrza komparatora TK. Wyjście bloku sterującego S połączone jest z elementem grzejnym za pośrednictwem tranzystorowego klucza K. Blok sterujący S zawiera układ realizujący nastawę automatyczną A oraz niezależną nastawę ręczną R. W przykładowej realizacji komparatora zastosowano przetworniki tensometryczne typu RLC klasy C6 o różnych nominałach, zależnie od wzorcowanej masy. Zasilanie i odbiór sygnału wyjściowego przetwornika tensometrycznego, a także przetwarzanie tego sygnału realizowane jest w znany sposób za pomocą zewnętrznego terminala.

Przetwornik tensometryczny 6 przetwarza wartość przyłożonej do niego siły ściskającej na wartość napięcia elektrycznego. Aby zapewnić powtarzalność pomiarów o dużej rozdzielczości i małym uchybie pomiaru, przetwornik powinien być obciążany siłą ściskającą przyłożoną dokładnie w jego środku geometrycznym, o kierunku prostopadłym do powierzchni podparcia przetwornika tensometrycznego 6. Warunki takie zapewnia przedstawiona konstrukcja, w której wzajemnie przeplatające się płyty 1, 2, 3, 4 umożliwiają zamianę mierzonej siły rozciągającej, równej sile ciężaru badanego wzorca masy, na siłę ściskającą przetwarzaną przez przetwornik tensometryczny 6 na sygnał elektryczny. Siła ściskająca przykładana jest do komparatora za pośrednictwem uchwytów 16 zaopatrzonych w kulowe łożyska 17, dzięki którym siła ta działa zawsze w pionie i w środku geometrycznym płyt i przetwornika. Przekazanie siły działającej na przetwornik tensometryczny 6 za pomocą gniazda 8 o kulistej powierzchni i stykającego się z nim trzpienia 9 ze sferyczną powierzchnią natarcia zapewnia pionową samonastawność i zawsze pionowe działanie siły ściskającej na powierzchnię aktywną przetwornika. Konstrukcja obudowy, w której umieszczony i zamocowany jest układ mechaniczny trójkątnych płyt z kolumnami i przetwornikiem, dzięki separacji poszczególnych obszarów komparatora poprzez odpowiedni kształt obudowy, zapewnia bardzo dobrą termoizolację przetwornika tensometrycznego. Konstrukcja ta zapewnia także wzajemną separację mechaniczną pojemników cylindrycznych od siebie, dzięki czemu unika się przekłamań w pomiarach, wynikających z wzajemnych kontaktów mechanicznych elementów obudowy.

Rozwiązanie według wynalazku umożliwia szybkie i precyzyjne wzorcowanie dużych mas w zakresie od 100 kg do 5000 kg z rozdzielczością do 1 ppm (0,000001 części nominału badanego).

Claims (16)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Przenośny komparator masy, mający wewnątrz obudowy przetwornik tensometryczny zamocowany do sztywnej płyty i zaopatrzony w dolnej i górnej części w uchwyty, znamienny tym, że ma cztery poziome płyty (1, 2, 3, 4) usytuowane jedna nad drugą i połączone ze sobą prostopadłymi do nich kolumnami (5) w dwie pary tak, że jedną parę stanowi płyta dolna (1) i pierwsza płyta środkowa (2), a drugą parę stanowi płyta górna (3) i druga płyta środkowa (4) znajdująca się pomiędzy płytą dolną (1) i pierwszą płytą środkową (2), a przetwornik tensometryczny (6) znajduje się pomiędzy płytami środkowymi (2, 4) i zamocowany jest do jednej z nich.
2. 2. Przenośny komparator według zastrz. 1, znamienny tym, że przetwornik tensometryczny (6) zamocowany jest do górnej powierzchni drugiej płyty środkowej (4).
3. 3. Przenośny komparator według zastrz. 1, znamienny tym, że przetwornik tensometryczny (6) zamocowany jest do dolnej powierzchni pierwszej płyty środkowej (2).
4. 4. Przenośny komparator według zastrz. 2 albo 3, znamienny tym, że poziome płyty (1, 2, 3, 4) w każdej parze połączone są trzema prostopadłymi do nich kolumnami (5) w trzech miejscach tworzących wierzchołki trójkąta, zwłaszcza równobocznego.
5. 5. Przenośny komparator według zastrz. 4, znamienny tym, że dwie pary poziomych płyt (1, 2, 3, 4) są usytuowane względem siebie tak, że prostopadłe do nich kolumny (5) tworzą wierzchołki sześciokąta, zwłaszcza regularnego.

   PL 216 850 B1
6. 6. Przenośny komparator według zastrz. 5, znamienny tym, że poziome płyty (1, 2, 3, 4) mają zarys jednakowych trójkątów, zwłaszcza równobocznych.
7. 7. Przenośny komparator według zastrz. 5 albo 6, znamienny tym, że co najmniej jedna z poziomych płyt (1, 2, 3, 4) zaopatrzona jest w ogranicznik (7).
8. 8. Przenośny komparator według jednego z zastrz. od 2 do 7, znamienny tym, że kontakt pomiędzy aktywną powierzchnią przetwornika tensometrycznego (6) i powierzchnią przeciwległej płyty środkowej (2, 4) realizuje gniazdo (8) o przynajmniej częściowo sferycznej powierzchni i osadzony w nim trzpień (9) z przynajmniej częściowo sferyczną powierzchnią natarcia.
9. 9. Przenośny komparator według jednego z zastrz. od 1 do 8, znamienny tym, że górny i dolny uchwyt (16) zaopatrzone są w łożyska kulowe (17) i usytuowane są we wzajemnie prostopadłych płaszczyznach.
10. 10. Przenośny komparator według jednego z zastrz. od 1 do 9, znamienny tym, że obudowa ma postać co najmniej dwóch jednostronnie zamkniętych pojemników (10, 11) umieszczonych jeden w drugim tak, że ich ściany boczne nie stykają się ze sobą.
11. 11. Przenośny komparator według zastrz. 10, znamienny tym, że pojemniki (10, 11) mają kształt cylindrów.
12. 12. Przenośny komparator według zastrz. 10 albo 11, znamienny tym, że co najmniej jeden z pojemników (10, 11) zaopatrzony jest w kołnierz (12).
13. 13. Przenośny komparator według zastrz. 10 albo 11 albo 12, znamienny tym, że wewnętrzna ściana wewnętrznego pojemnika (11) zaopatrzona jest w element grzejny (15).
14. 14. Przenośny komparator według zastrz. 13, znamienny tym, że element grzejny (15) połączony jest z układem stabilizacji temperatury (US).
15. 15. Przenośny komparator według zastrz. 14, znamienny tym, że w układzie stabilizacji temperatury (US) zasilacz (Z) połączony jest z blokiem sterującym (S), do którego dołączony jest czujnik temperatury otoczenia (TO) i czujnik temperatury komparatora (TK).
16. 16. Przenośny komparator według zastrz. 15, znamienny tym, że blok sterujący (S) zaopatrzony jest w nastawę ręczną (R) i nastawę automatyczną (A).