RU2152010C1

RU2152010C1 - Variable-capacitance force-measuring transducer

Info

Publication number: RU2152010C1
Application number: RU98104390A
Authority: RU
Inventors: Валерий Васильевич Хозин
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Тест"
Priority date: 1998-02-18
Filing date: 1998-03-10
Publication date: 2000-06-27
Also published as: UA32718A

Abstract

FIELD: electrical measurement technology. SUBSTANCE: variable-capacitance transducer has electrodes positioned in separate insulated inserts secured on opposite walls of hole in horizontal plane of symmetry of block-body provided with upper and lower flexible members. Block-body has rigid side bases. One of bases has supporting surface for fastening of transducer, and other base is provided with surface for fixing on object being checked. Transducer with differential capacitor may be formed together with auxiliary electrode installed in parallel with main electrodes on insulated insert. Insulated inserts may be made in the form of two metal semirings embracing electrodes arranged on internal surface of semirings. External surfaces of rigid side bases for conveyor and bunker balances are of cylindrical shape, and they are provided with movable semirings and prismatic cover-plates. Auxiliary holes are made in flexible members for higher loads. EFFECT: higher accuracy of measurements. 8 cl, 10 dwg

Description

Изобретение относится к технике электрических измерений механических величин с помощью емкостных преобразователей и может быть использовано при контроле различного вида силовых воздействий, в частности для измерения массы груза в железнодорожном транспорте, на конвейерах, взвешивания жидкого металла в сталелитейных ковшах. The invention relates to techniques for electrical measurements of mechanical quantities using capacitive converters and can be used to control various types of force, in particular for measuring the mass of cargo in railway transport, on conveyors, weighing liquid metal in steel ladles.

Измерение неэлектрических величин электрическими методами находит широкое применение в науке и технике. Значительное распространение получили силоизмерительные датчики на основе применения емкостных преобразователей. К особенностям таких датчиков относятся:
высокая чувствительность и относительная стабильность показаний;
незначительное влияние внешних факторов - температуры, положения, вибраций, которые можно учесть при конструировании;
простота и технологичность конструкции. С этой точки зрения емкостные датчики удобны в производстве: большинство датчиков можно изготовить на обычных станках.The measurement of non-electrical quantities by electrical methods is widely used in science and technology. Power measuring sensors based on the use of capacitive transducers are widely used. The features of such sensors include:
high sensitivity and relative stability of readings;
slight influence of external factors - temperature, position, vibrations, which can be taken into account during design;
simplicity and manufacturability of the design. From this point of view, capacitive sensors are convenient to manufacture: most sensors can be manufactured on conventional machines.

Известен, например, емкостный силоизмерительный датчик для электронных весов, содержащих основание и платформу, которая смещается при расположении на ней взвешиваемого материала. Основание и платформа связаны между собой пружиной. Силоизмерительный датчик представляет собой емкостное устройство, состоящее из двух электродов-пластин. При смещении платформы одна из пластин перемещается относительно другой пластины. При этом вырабатывается сигнал, используемый для индикации массы материала [патент США N 4524840, МКИ G 01 G 3/14, 1985]. Known, for example, a capacitive load cell for electronic scales containing a base and a platform, which moves when a weighed material is placed on it. The base and platform are interconnected by a spring. The load cell is a capacitive device consisting of two plate electrodes. When the platform is displaced, one of the plates moves relative to the other plate. This produces a signal used to indicate the mass of the material [US patent N 4524840, MKI G 01 G 3/14, 1985].

Датчик этой конструкции работает без использования деформируемого элемента за счет перемещения деталей весов. The sensor of this design works without the use of a deformable element due to the movement of parts of the scales.

Известен емкостный силоизмерительный датчик, содержащий механически деформируемые тела с электродами, которые размещают таким образом, что образуется дифференциальный конденсатор, который формирует пригодный для дальнейшей обработки измерительный сигнал. В соответствии с изобретением поверхности тел деформации с жесткими на изгиб центрами образуют поверхности боковых электродов, аксиально жестко связанных друг с другом, так что создается шарнирно-листовая направляющая. Между телами деформации помещена электрически непроводящая деталь, несущая на своих поверхностях активные электроды [эконом. патент ГДР N 257492, G 01 L 1/14, 1988]. Known capacitive load cell containing mechanically deformable bodies with electrodes, which are placed in such a way that a differential capacitor is formed, which forms a measuring signal suitable for further processing. In accordance with the invention, the surfaces of the deformation bodies with centers rigid in bending form the surfaces of the side electrodes axially rigidly connected to each other, so that an articulated sheet guide is created. An electrically non-conductive part is placed between the deformation bodies, carrying active electrodes on its surfaces [economy. GDR patent N 257492, G 01 L 1/14, 1988].

Указанный датчик имеет высокую поперечную жесткость и, как следствие, малую чувствительность к боковым составляющим усилия. Однако совмещение функций деформируемого тела и электродов дифференциального конденсатора ухудшает метрологические характеристики за счет ухудшения линейности, обусловленной деформацией электродов в процессе нагружения и увеличения гистерезиса за счет потерь на трение между электродами и листовыми изоляционными прокладками. The specified sensor has a high lateral stiffness and, as a consequence, low sensitivity to the lateral components of the force. However, the combination of the functions of the deformable body and the electrodes of the differential capacitor worsens the metrological characteristics due to the deterioration of linearity due to deformation of the electrodes during loading and an increase in hysteresis due to friction losses between the electrodes and sheet insulating gaskets.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является емкостный силоизмерительный датчик, содержащий деформируемый металлический блок-корпус, в котором размещены вдоль стенок два электрода для измерения емкости. Электроды обращены друг к другу и приклеены по всей длине к внутренней поверхности отверстия. Концы электродов прикреплены к боковым поверхностям блока-корпуса при помощи держателя и винтов [акцептованная заявка Японии, МКИ 4 G 01 L 1/14, 61-28290 B, 30.06.86.]
Существенными особенностями данной конструкции, которые позволяют рассматривать ее в качестве прототипа, являются:
выполнение деформируемого элемента в виде металлического блок-корпуса, который представляет собой сочетание массивного упругого элемента и корпусной детали одновременно и обладает высокой технологичностью, простотой конструкции и изготовления;
связь электродов со стенками отверстия деформируемого блока-корпуса.The closest in technical essence and the achieved technical result is a capacitive load cell containing a deformable metal block-housing, in which two electrodes for measuring capacitance are placed along the walls. The electrodes face each other and are glued along the entire length to the inner surface of the hole. The ends of the electrodes are attached to the lateral surfaces of the casing with a holder and screws [accepted application of Japan, MKI 4 G 01 L 1/14, 61-28290 B, 06/30/86.]
The essential features of this design, which allow us to consider it as a prototype, are:
the implementation of the deformable element in the form of a metal block body, which is a combination of a massive elastic element and a body part at the same time and has high adaptability, simplicity of design and manufacture;
the connection of the electrodes with the walls of the holes of the deformable block-body.

К числу конструктивных и технологических характеристик, которые могут затруднить использование указанного датчика, следует отнести:
измерение емкости лишь вдоль линии, соответствующей линии крепления электродов к внутренней поверхности отверстия;
возможность наличия дополнительных погрешностей, обусловленных краплением электродов в точках, подверженных деформациям в процессе нагружения;
необходимость применения специального состава клея, который обеспечивал бы надежное сцепление электродов с поверхностью отверстия при многократном приложении усилия.Among the design and technological characteristics that may impede the use of the specified sensor, include:
measuring capacitance only along the line corresponding to the line of attachment of the electrodes to the inner surface of the hole;
the possibility of additional errors due to the staining of the electrodes at points subject to deformation during loading;
the need to use a special adhesive composition, which would ensure reliable adhesion of the electrodes to the surface of the hole with repeated application of force.

В связи с отмеченными особенностями конструкции прототипа в основу изобретения поставлена задача создания емкостного силоизмерительного датчика, в котором путем устранения влияния рабочих деформаций в деформируемом элементе непосредственно на сами электроды, нового размещения электродов и создания схемы деформирования блок-корпуса с учетом положения электродов повышаются чувствительность и точность измерений с обеспечением высокой технологичности конструкции. In connection with the noted design features of the prototype, the invention is based on the task of creating a capacitive force measuring sensor, in which, by eliminating the influence of working strains in the deformable element directly on the electrodes themselves, re-arranging the electrodes and creating a deformation scheme for the block housing, taking into account the position of the electrodes, sensitivity and accuracy are increased measurements with high technological design.

Для решения поставленной задачи в известном емкостном силоизмерительном датчике, содержащем деформируемый блок-корпус с отверстием, в котором размещены электроды для измерения емкости, согласно изобретению электроды установлены в отдельных изолированных вставках, закрепленных на противоположных стенках отверстия в горизонтальной плоскости блок-корпуса, выполненного с верхним и нижним упругими элементами, переходящими в жесткие боковые основания, одно из которых имеет опорную поверхность для крепления датчика, а другое предназначено для восприятия рабочих нагрузок. To solve the problem in a known capacitive load cell containing a deformable block body with a hole in which electrodes for measuring capacitance are placed, according to the invention, the electrodes are installed in separate insulated inserts mounted on opposite walls of the hole in the horizontal plane of the block body made with the upper and lower elastic elements turning into rigid lateral bases, one of which has a supporting surface for mounting the sensor, and the other is intended for the perception of the workload.

Указанная совокупность конструктивных признаков позволяет достигнуть новый технический результат - повысить точность измерений и технологичность конструкции в связи с приданием датчику следующих технических свойств;
а/ устранение непосредственного контакта электродов со стенками отверстия и размещение их на отдельных изолированных вставках в горизонтальной плоскости блок-корпуса позволяет избежать влияния деформаций на сами электроды, расширяет диапазон измерения емкости в отверстии и упрощает процесс изготовления, сборки и эксплуатации датчика;
б/ новое конструктивное выполнение деформируемого элемента, представляющего собой комбинацию упругих и жестких участков, позволяет получить сдвигово-изгибные деформации, которые обеспечивают параллельное или близкое к нему смещение боковых стенок отверстия с закрепленными на них вставками с электродами.The specified set of design features allows to achieve a new technical result - to increase the measurement accuracy and manufacturability of the structure in connection with giving the sensor the following technical properties;
а / elimination of direct contact of the electrodes with the walls of the hole and their placement on separate insulated inserts in the horizontal plane of the block-housing allows avoiding the influence of deformations on the electrodes themselves, extends the measurement range of the capacitance in the hole and simplifies the manufacturing, assembly and operation of the sensor;
b / new structural design of the deformable element, which is a combination of elastic and rigid sections, allows to obtain shear-bending deformations that provide parallel or close to it displacement of the side walls of the hole with insets fixed to them with electrodes.

Предлагаемые изменения позволяют создать параллелограммную конструкцию датчика с деформируемым элементом типа "блок-корпус" и получить "эффект параллелограмма": при параллельном смещении верхнего и нижнего упругих элементов и жестких оснований электроды смещаются параллельно, обеспечивая высокую точность показаний. The proposed changes make it possible to create a parallelogram design of the sensor with a deformable element of the "block-case" type and obtain a "parallelogram effect": when the upper and lower elastic elements and rigid bases are parallel displaced, the electrodes are displaced in parallel, providing high accuracy of readings.

Качество измерений повышается при закреплении изолированных вставок с электродами по горизонтальной оси симметрии блока-корпуса, расположенной в зоне нулевых изгибающих напряжений. The quality of measurements increases when fixing insulated inserts with electrodes along the horizontal axis of symmetry of the block-housing located in the zone of zero bending stresses.

Наличие дополнительного третьего электрода, установленного на изолированной вставке параллельно имеющимся электродам и образующим совместно с ними дифференциальный конденсатор, позволяет компенсировать начальный сигнал разгруженного датчика и, следовательно, повысить температурную стабильность его показаний. The presence of an additional third electrode mounted on an insulated insert parallel to the existing electrodes and forming a differential capacitor together with them, can compensate for the initial signal of the unloaded sensor and, therefore, increase the temperature stability of its readings.

Наиболее оптимальным вариантом конструкции изолированных вставок является выполнение их в форме двух металлических полуколец, охватывающих электроды, которые установлены в керамических вкладышах на внутренней поверхности полуколец. The most optimal design option for insulated inserts is to make them in the form of two metal half rings, covering electrodes that are installed in ceramic inserts on the inner surface of the half rings.

Выполнение изоляции вставок в виде отдельных мелких керамических вкладышей позволяет избежать растрескивания изолирующего слоя, поскольку собственная резонансная частота керамических вкладышей выше спектра промышленных акустических частот, воздействующих на силоизмерительный датчик. Insulation of the inserts in the form of individual small ceramic inserts avoids cracking of the insulating layer, since the intrinsic resonant frequency of the ceramic inserts is higher than the spectrum of industrial acoustic frequencies acting on the load cell.

Дополнительный технический результат - повышение точности измерений путем сохранения горизонтального положения датчика при наклонном положении грузоприемной платформы - достигается при выполнении наружных поверхностей жестких боковых оснований цилиндрической формы и установки на них полуколец с вертикальным пазом, имеющих возможность кругового смещения по цилиндрическим поверхностям. An additional technical result - improving the accuracy of measurements by maintaining the horizontal position of the sensor with the inclined position of the load receiving platform - is achieved by performing the outer surfaces of the rigid lateral bases of a cylindrical shape and installing half rings with a vertical groove on them, which can be circularly displaced along cylindrical surfaces.

При использовании датчика, например, в конвейерных весах за счет регулировки положения полуколец обеспечивается горизонтальное положение датчика при наклоне конвейера. When using a sensor, for example, in a conveyor scale, by adjusting the position of the half rings, the horizontal position of the sensor is ensured when the conveyor is tilted.

Для применения в бункерных весах на наружных цилиндрических поверхностях жестких боковых оснований закреплены призматические накладки. For use in bunker scales, prismatic pads are fixed on the outer cylindrical surfaces of the rigid lateral bases.

При измерении больших нагрузок (≥30 т), например, для взвешивания жидкого металла в сталелитейных ковшах, задача создания датчика, обеспечивающего требуемую точность показаний, усложняется теми обстоятельствами, что необходимо обеспечить большую жесткость самого деформируемого элемента, устранить чрезмерные деформации в местах крепления изоляционных вставок с электродами и одновременно обеспечить упругость определенных частей массивного блок-корпуса. При этом необходимо найти такое сочетание и взаимодействие упругих и жестких компонентов блок-корпуса, которое позволило бы получить "эффект параллелограмма" для массивного деформируемого элемента в виде, например, вертикальной призмы. When measuring large loads (≥30 t), for example, for weighing liquid metal in steel ladles, the task of creating a sensor that provides the required accuracy of readings is complicated by the circumstances that it is necessary to provide greater rigidity of the deformable element itself, to eliminate excessive deformations in the places of fastening of insulating inserts with electrodes and at the same time ensure the elasticity of certain parts of the massive block body. In this case, it is necessary to find such a combination and interaction of the elastic and rigid components of the block body that would allow to obtain the "parallelogram effect" for a massive deformable element in the form, for example, of a vertical prism.

Поставленная задача наиболее эффективно решается при выполнении в верхнем и нижнем упругих элементах дополнительных отверстий, оси которых параллельны оси отверстия с электродами и лежат в одной с нею вертикальной плоскости симметрии датчика. The problem is most effectively solved by performing additional holes in the upper and lower elastic elements, the axes of which are parallel to the axis of the hole with the electrodes and lie in the same vertical plane of symmetry of the sensor.

Указанная совокупность признаков позволяет создать в массивном деформируемом элементе - блок-корпусе явно выраженные консольные балки, которые расположены по высоте блок-корпуса и обеспечивают передачу упругих деформаций в зону отверстия с электродами. При этом достигается "эффект параллелограмма": при параллельном изгибе консольных балок, составляющих верхний и нижний упругие элементы, и жестких оснований электроды смещаются параллельно, обеспечивая высокую точность показаний. The specified set of features allows you to create explicit cantilever beams in the massive deformable element - the block body, which are located along the height of the block body and ensure the transfer of elastic deformations into the zone of the hole with the electrodes. At the same time, the “parallelogram effect” is achieved: when the cantilever beams constituting the upper and lower elastic elements and rigid bases are bent in parallel, the electrodes are displaced in parallel, providing high accuracy of readings.

На фиг. 1 показан вид спереди на датчик с двумя электродами;
на фиг. 2 - то же, вид сбоку;
на фиг. 3 - то же, вид сверху;
на фиг. 4 - вид спереди на датчик с тремя электродами;
на фиг. 5 - блок-корпус с частичным вырывом в вертикальной плоскости, поясняющим конструкцию изолированных вставок;
на фиг. 6 - блок-корпус с частичным вырывом в горизонтальной плоскости, поясняющим конструкцию изолированных вставок;
на фиг. 7 - вариант датчика для использования в конвейерных весах;
на фиг. 8 - вариант датчика для использования в бункерных весах;
на фиг. 9 - вариант датчика для использования в железнодорожных весах;
на фиг. 10 - вариант датчика для измерения больших усилий.In FIG. 1 shows a front view of a sensor with two electrodes;
in FIG. 2 - the same side view;
in FIG. 3 - same, top view;
in FIG. 4 is a front view of a sensor with three electrodes;
in FIG. 5 is a block body with a partial tear in a vertical plane, explaining the design of insulated inserts;
in FIG. 6 - block housing with a partial tear in the horizontal plane, explaining the design of insulated inserts;
in FIG. 7 is a variant of the sensor for use in a conveyor scale;
in FIG. 8 is a variant of the sensor for use in hopper scales;
in FIG. 9 is a variant of the sensor for use in a railway balance;
in FIG. 10 is a variant of the sensor for measuring large forces.

Предлагаемый емкостный силоизмерительный датчик имеет следующую конструкцию. The proposed capacitive load cell has the following design.

Датчик содержит деформируемый блок-корпус 1 с отверстием 2, в котором размещены вдоль стенок электроды 3, 4 (фиг. 1). Блок-корпус имеет параллелограммную конструкцию, выполненную с верхним и нижним упругими элементами 5, 6, переходящими в жесткие боковые основания 7, 8, одно из которых, основание 7, имеет опорную поверхность 9 для крепления датчиков на опоре 10 посредством болтов 11, 12, а основание 8 предназначено для восприятия вертикальной рабочей нагрузки Р. При этом жесткость боковых оснований несоизмеримо выше жесткости упругих элементов 5,6, которые образованы тонкой перегородкой между поверхностью отверстия с электродами и горизонтальными поверхностями блок-корпуса. The sensor contains a deformable block body 1 with an opening 2 in which electrodes 3, 4 are placed along the walls (Fig. 1). The block case has a parallelogram design made with the upper and lower elastic elements 5, 6 turning into rigid lateral bases 7, 8, one of which, the base 7, has a supporting surface 9 for mounting sensors on the support 10 by means of bolts 11, 12, and the base 8 is designed to absorb the vertical working load P. Moreover, the rigidity of the side bases is incommensurably higher than the stiffness of the elastic elements 5,6, which are formed by a thin partition between the surface of the hole with the electrodes and horizontal surfaces a block body.

Электроды 3, 4 имеют плоскую форму и установлены параллельно друг другу и горизонтальным граням 13 блок-корпуса в отдельных изолированных вставках 14, 15, закрепленных на противоположных стенках отверстия по горизонтальной оси симметрии 16 блок-корпуса. Возможно крепление изолированных вставок в горизонтальной плоскости блок-корпуса вне горизонтальной оси симметрии, однако по мере удаления мест крепления электродов снижается точность показаний. При этом вставка 14 закреплена на стороне стенки отверстия, принадлежащей жесткому боковому основанию 7, а вставка 15 - на стороне, принадлежащей жесткому боковому основанию 8. The electrodes 3, 4 have a flat shape and are mounted parallel to each other and to the horizontal faces 13 of the block body in separate insulated inserts 14, 15 mounted on opposite walls of the hole along the horizontal axis of symmetry 16 of the block body. It is possible to mount insulated inserts in the horizontal plane of the block body outside the horizontal axis of symmetry, however, as the places of attachment of the electrodes are removed, the accuracy of the readings decreases. In this case, the insert 14 is fixed on the side of the wall of the hole belonging to the rigid lateral base 7, and the insert 15 is on the side belonging to the rigid lateral base 8.

Вариант датчика с тремя электродами (фиг. 4) содержит дополнительный электрод 17, установленный параллельно имеющимся электродам 3, 4 на изолированной вставке 18, образуя совместно с ними дифференциальный конденсатор. Электрод 4 установлен в отдельной изолированной вставке 19 и расположен по горизонтальной оси симметрии 16. A variant of the sensor with three electrodes (Fig. 4) contains an additional electrode 17 mounted parallel to the existing electrodes 3, 4 on the insulated insert 18, forming together with them a differential capacitor. The electrode 4 is installed in a separate insulated insert 19 and is located on the horizontal axis of symmetry 16.

Отдельные изолированные вставки (фиг. 5, 6) могут быть выполнены в форме двух металлических полуколец 20, 21, охватывающих электроды 3, 4, 17, которые установлены в керамических вкладышах 22 на внутренней поверхности 23 полуколец 20, 21. Изолированные вставки закреплены в блок-корпусе посредством болтов 24. Separate insulated inserts (Fig. 5, 6) can be made in the form of two metal half rings 20, 21, covering electrodes 3, 4, 17, which are installed in ceramic inserts 22 on the inner surface 23 of the half rings 20, 21. The insulated inserts are fixed in the block housing through bolts 24.

Для использования предлагаемого датчика в конвейерных и бункерных весах (фиг. 7, 8) наружные поверхности 25, 26, 27, 28 жестких боковых оснований выполняются цилиндрической формы. To use the proposed sensor in a conveyor and hopper scales (Fig. 7, 8), the outer surfaces 25, 26, 27, 28 of the rigid lateral bases are cylindrical.

Поверхность 25 в конвейерных весах предназначена для восприятия рабочих нагрузок, поверхность 26 - для крепления датчика; поверхность 27 в бункерных весах образует опорную поверхность для крепления датчика, поверхность 28 предназначена для восприятия рабочих нагрузок. The surface 25 in the conveyor scales is designed to absorb the workloads, the surface 26 - for mounting the sensor; surface 27 in the hopper scale forms a supporting surface for mounting the sensor, surface 28 is designed to absorb work loads.

В жестких боковых основаниях 29, 30 датчика для конвейерных весов имеются крепежные болты 31, 32 для фиксации полуколец 33, 34 на наружных поверхностях 25, 26 жестких боковых оснований. In the rigid lateral bases 29, 30 of the sensor for conveyor weights, there are fixing bolts 31, 32 for fixing the half rings 33, 34 on the outer surfaces 25, 26 of the rigid lateral bases.

Полукольца 33, 34 имеют возможность кругового смещения по цилиндрическим поверхностям 25, 26 и выполнены с внутренним диаметром D1≤D2, где D2 - диаметр наружных поверхностей 25, 26 боковых оснований 29, 30. The half rings 33, 34 have the possibility of circular displacement along the cylindrical surfaces 25, 26 and are made with an inner diameter D1≤D2, where D2 is the diameter of the outer surfaces 25, 26 of the side bases 29, 30.

Полукольцо 33 предназначено для крепления датчика к грузоприемной платформе 35 конвейерых весов, полукольцо 34 - к конвейерному ставу 36. Возможно использование датчика для горизонтального конвейера или для наклонного (положение показано пунктиром на фиг. 7). The half ring 33 is intended for fastening the sensor to the load-receiving platform 35 of the conveyor scales, the half ring 34 to the conveyor stand 36. It is possible to use the sensor for a horizontal conveyor or for an inclined one (the position is shown by a dotted line in Fig. 7).

Для установки датчика в горизонтальной плоскости при наклонном конвейере в полукольцах выполнены вертикальные пазы 37. To install the sensor in a horizontal plane with an inclined conveyor, vertical grooves 37 are made in half rings.

В случае бункерных весов (фиг. 8) на наружных поверхностях 27, 28 жестких боковых оснований 38, 39 зафиксированы посредством болтов 40, 41 призматические накладки 42, 43. Крепление датчика к неподвижному основанию 44 осуществляется посредством призматической накладки 42, к контролируемому объекту 45 - призматической накладкой 43. In the case of bunker scales (Fig. 8) on the outer surfaces 27, 28 of the rigid lateral bases 38, 39, prismatic plates 42, 43 are fixed by means of bolts 40, 41. The sensor is attached to the fixed base 44 by means of a prismatic plate 42, to the controlled object 45 - prismatic pad 43.

Для использования в железнодорожных весах (фиг. 9) жесткие боковые основания 46, 47 блок-корпуса снабжены Г-образными опорными выступами 48, 49. На верхнем Г-образном опорном выступе 48 закреплена плита 50 для установки и фиксации рельса 51 или грузоприемной платформы. Нижний Г-образный выступ 49 снабжен крепежным приспособлением 52 типа паз-шип, позволяющим оперативно производить установку и замену датчика. For use in a railway balance (Fig. 9), the rigid lateral bases 46, 47 of the block body are provided with L-shaped support protrusions 48, 49. A plate 50 is mounted on the upper L-shaped support protrusion 48 for mounting and fixing the rail 51 or the load platform. The lower L-shaped protrusion 49 is equipped with a fixing device 52 of the groove-spike type, which allows for quick installation and replacement of the sensor.

Блок-корпус датчика аналогично как и во всех предыдущих вариантах выполнен с верхним и нижним упругими элементами 53, 54, переходящими в жесткие боковые основания 46, 47, образующие совместно параллелограммную конструкцию. Электроды установлены так же, как и во всех предыдущих вариантах, на отдельных изолированных вставках, закрепленных на противоположных стенках отверстия в горизонтальной плоскости блок-корпуса. The sensor block housing, similarly to all previous versions, is made with upper and lower elastic elements 53, 54, turning into rigid lateral bases 46, 47, which together form a parallelogram design. The electrodes are installed, as in all previous versions, on separate insulated inserts mounted on opposite walls of the hole in the horizontal plane of the block body.

Для использования предлагаемого датчика при больших нагрузках (≥30 т), например, для взвешивания жидкого металла в сталелитейных ковшах (фиг. 10) блок-корпус выполнен в виде вертикальной призмы 55, которая имеет верхний и нижний упругие элементы 56, 57, переходящие в жесткие боковые основания 58, 59 и образующие в совокупности параллелограммную конструкцию. To use the proposed sensor at high loads (≥30 t), for example, for weighing liquid metal in steel ladles (Fig. 10), the block-housing is made in the form of a vertical prism 55, which has upper and lower elastic elements 56, 57, turning into rigid lateral bases 58, 59 and together forming a parallelogram design.

В верхнем и нижнем упругих элементах выполнены дополнительные отверстия 60, 61, оси которых параллельны оси отверстия с электродами и лежат в одной с нею вертикальной плоскости симметрии датчика. Additional holes 60, 61 are made in the upper and lower elastic elements, the axes of which are parallel to the axis of the hole with the electrodes and lie in the same vertical plane of symmetry of the sensor.

Наличие отверстий в совокупности с элементами блок-корпуса образует по высоте датчика совокупность консольных балок, обеспечивающих необходимые сдвиго-изгибные деформации и параллельное смещение электродов. The presence of holes in conjunction with the elements of the block housing forms a set of cantilever beams along the height of the sensor, providing the necessary shear-bending deformations and parallel displacement of the electrodes.

Крепление датчика к опоре 62 осуществляется посредством болтов 63, соединяющих жесткое боковое основание 58 и опору 62. Жесткое боковое основание 59 предназначено для восприятия вертикальных рабочих нагрузок. The sensor is attached to the support 62 by means of bolts 63 connecting the rigid lateral base 58 and the support 62. The rigid lateral base 59 is designed to absorb vertical workloads.

Во всех описанных вариантах датчиков герметизация и механическая защита электродов осуществляются с помощью эластичных крышек 64, установленных с обеих сторон отверстия. In all of the described sensor variants, the sealing and mechanical protection of the electrodes are carried out using elastic covers 64 mounted on both sides of the hole.

Электрическая схема, используемая для реализации всех приведенных вариантов, представляет общеизвестный электрический измерительный мост, работающий на основе разбаланса при изменении величины емкости, выполненный в одноплатном исполнении и установленный в отверстии с электродами. The electrical circuit used to implement all of the above options is a well-known electrical measuring bridge operating on the basis of imbalance when changing the capacitance value, made in a single-board version and installed in the hole with the electrodes.

Предлагаемый емкостный силоизмерительный датчик работает следующим образом. The proposed capacitive load sensor works as follows.

Под воздействием приложенной вертикальной составляющей нагрузки P на жесткое боковое основание 8 (фиг. 1) происходит изгиб верхнего и нижнего упругих элементов 5, 6, смещение вниз жесткого бокового основания 8 и параллельный или близкий к нему сдвиг боковой стенки отверстия 2 с закрепленной на ней изолированной вставкой 15 и электродом 3 относительно противоположной стенки отверстия с закрепленной на ней изолированной вставкой 14 с электродом 4. В результате указанной схемы деформации блок-корпуса 1 обеспечивается плоскопараллельное перемещение электродов, что способствует достижению высокой точности измерений. Under the influence of the applied vertical component of the load P on the rigid lateral base 8 (Fig. 1), the upper and lower elastic elements 5, 6 are bent, the rigid lateral base 8 is displaced downward and the side wall of the hole 2 is parallel or close to it with an insulated wall fixed to it an insert 15 and an electrode 3 relative to the opposite wall of the hole with an insulated insert 14 with an electrode 4 fixed on it. As a result of this deformation scheme of the block body 1, a plane-parallel movement is provided electrodes, which helps to achieve high measurement accuracy.

Аналогичные деформации характерны для всех вариантов применения предлагаемого датчика. На соответствующих чертежах пунктиром показано смещенное положение жесткого бокового основания, стенок отверстия и электродов под воздействием вертикальной составляющей нагрузки. Similar deformations are characteristic for all applications of the proposed sensor. In the corresponding drawings, the dotted line shows the displaced position of the rigid side base, the walls of the hole and the electrodes under the influence of the vertical component of the load.

При использовании датчика в наклонном конвейере смещают полукольца 33, 34 (показано пунктиром), сохраняя горизонтальное положение всего датчика. When using the sensor in an inclined conveyor, the half rings 33, 34 (shown by the dotted line) are displaced, keeping the horizontal position of the entire sensor.

Работа датчика для больших нагрузок характеризуется параллельным изгибом консольных балок, образованных наружными поверхностями блок-корпуса и поверхностями отверстий. The operation of the sensor for high loads is characterized by parallel bending of the cantilever beams formed by the outer surfaces of the block body and the surfaces of the holes.

При этом упругие элементы подвержены следующим видам деформации:
деформация изгиба, пропорциональная величине вертикальной сдвиговой составляющей усилия;
деформация растяжения (для верхнего упругого элемента) и сжатия (для нижнего упругого элемента), пропорциональная величине изгибающего момента, воздействующего на блок-корпус и зависящая от точки приложения усилия;
деформация растяжения или сжатия, пропорциональная продольной составляющей действующего усилия;
деформация поперечного изгиба, пропорциональная поперечной составляющей усилия.In this case, the elastic elements are subject to the following types of deformation:
bending strain proportional to the magnitude of the vertical shear component of the force;
tensile strain (for the upper elastic element) and compression (for the lower elastic element), proportional to the magnitude of the bending moment acting on the block body and depending on the point of application of force;
tensile or compressive strain proportional to the longitudinal component of the acting force;
lateral bending strain proportional to the transverse component of the force.

Очевидно, что на величину сдвига боковых стенок оказывает влияние только вертикальная сдвиговая составляющая усилия, поскольку осевое растяжение и сжатие, а также поперечный изгиб упругих элементов не приводят к их изгибу в вертикальной плоскости. Следовательно, достигается эффект нечувствительности показаний датчика к смещению точки приложения силы, а также к влиянию боковых составляющих усилия. Obviously, only the vertical shear component of the force affects the magnitude of the lateral wall shear, since the axial tension and compression, as well as the transverse bending of the elastic elements do not lead to their bending in the vertical plane. Therefore, the effect of the insensitivity of the sensor readings to the displacement of the point of application of force, as well as to the influence of the side components of the force, is achieved.

При воздействии рабочего усилия P на блок-корпус происходит разбаланс измерительного моста электрической схемы, на выходе которого появляется переменный сигнал, пропорциональный действующей нагрузке. When the working force P acts on the block-housing, the measuring bridge of the electric circuit is unbalanced, at the output of which an alternating signal proportional to the current load appears.

Проведенные промышленные испытания предлагаемой конструкции емкостного силоизмерительного датчика в различных модификациях применения показали высокую точность измерения рабочих нагрузок. Conducted industrial tests of the proposed design of a capacitive load cell in various modifications of the application showed high accuracy in measuring workloads.

Claims

1. Capacitive load cell containing a deformable metal block body with a hole in which electrodes for measuring capacitance are located, characterized in that the electrodes are mounted parallel to each other and to the horizontal faces of the block body on separate insulated inserts mounted on opposite walls of the hole in a horizontal the plane of the block casing, made in the form of a parallelogram with upper and lower elastic elements turning into rigid lateral bases, one of which has a support overhnost for fastening the sensor, and the second - surface for sensing the workload during fixation of the sensor of the controlled object.

2. The capacitive load cell according to claim 1, characterized in that the insulated inserts with electrodes are fixed along the horizontal axis of symmetry of the block housing.

3. The capacitive load cell according to claim 1 or 2, characterized in that it is equipped with an additional electrode mounted on an insulated insert in parallel with the available electrodes and forming a differential capacitor together with them.

4. A capacitive load cell according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the insulated inserts are made in the form of two metal half rings enclosing the electrodes, which are installed in ceramic inserts on the inner surface of the half rings.

5. A capacitive load cell according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the outer surfaces of the rigid side bases are cylindrical in shape and are equipped with half rings having the ability to circularly displace along the cylindrical surfaces of the rigid side bases.

6. Capacitive load cell according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the outer surfaces of the rigid side bases are cylindrical in shape and provided with prismatic overlays.

7. A capacitive load cell according to any one of claims 1 to 4, characterized in that additional holes are made in the upper and lower elastic elements, the axes of which are parallel to the axis of the hole with the electrodes and lie in the same vertical plane of symmetry of the sensor.

8. Capacitive load cell according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the rigid side bases are equipped with L-shaped support protrusions.