SK192022U1 - Spôsob statickej kalibrácie snímačov momentu sily a zariadenie na jeho vykonávanie - Google Patents

Abstract

Spôsob statickej kalibrácie snímačov momentu sily sa uskutočňuje tak, že zaťaženie snímača (1) sa generuje zmenou uhla sklonu ramena (6) alebo zmenou hmotnosti závažia (9), alebo ich kombináciou. Výsledkom kalibrácie je, že sa porovná hodnota indikovaná snímačom (1) s pravou hodnotou momentu sily vypočítanou zo známej dĺžky ramena (6), z hodnoty údaja meradla (15) uhla a hodnoty sily vyvolanej hmotnosťou závaží (9). Zariadenie na statickú kalibráciu snímačov momentu sily pozostáva z rámu (11) s lineárnym vedením (12), na ktorom je umiestnená prevodovka (13) s pohonom (14), ktorý je pevne spojený hriadeľom A (3) so snímačom (1), rozoberateľne umiestneným medzi pripojovacím príslušenstvom (2). Príslušenstvo (2) je pevne spojené s hriadeľom B (4), podopretým v centrálnom ložisku (5), a s ramenom (6). Na konci ramena (6) je čap (10) a sekundárne ložisko (7) so závesom (8), na ktorom visia závažia (9). Meradlo (15) uhla a brzda (17) sú umiestnené na hriadeli B (4) a na ráme (11), na ktorom je prichytená riadiaca jednotka (16).

Description

Oblasť techniky

Technické riešenie sa týka spôsobu statickej kalibrácie snímačov momentu sily a zariadenia na vykonávanie spôsobu pre účel primárnej metrologickej nadväznosti momentu sily. Technické riešenie spadá do oblasti metrológie, konkrétne oblasti kalibrácie, t. j. metrologickej nadväznosti momentu sily.

Doterajší stav techniky

Testovacie a meracie zariadenia používané v priemysle je nevyhnutné pravidelne kalibrovať. Cieľom kalibrácie meradiel je zabezpečenie ich metrologickej nadväznosti, platí to aj pre snímač momentu sily (ďalej len snímač). Postupy pre statickú kalibráciu snímačov, ktoré sú používané na metrologickú nadväznosť musia spĺňať prísne kritéria, ktoré sú definované normatívnymi dokumentárni:

• (STN EN ISO 6789-2: 2018 Montážne náradie na skrutky a matice, Ručné momentové náradie. Časť 2: Požiadavky na kalibráciu a stanovenie neistoty merania • EURAMET cg-14 Version 2.0 (03/2011), Guidelines On The Calibration Of Státie Torque Measuring Devices).

Na nižších kvalitatívnych úrovniach sa používa metóda porovnania s referenčnými snímačmi. Laboratóriá primárnej metrológie (najvyššia úroveň kvality) aplikujú primárnu metódu kalibrácie snímačov postavenú na generovaní momentu sily v zmysle základnej definície - vektorový súčin sily generovanej gravitačným pôsobením zeme na etalónové zaťažovacie telesá a dĺžky ramena etalónu.

V súčasnosti, všetky laboratóriá nám známych národných metrologických ústavov:

Český metrologický inštitút ČMI íhj&ss^ZwwwxmiXáÍ^m^^ Bundesanstalt (PTB) (Https://www\ptb.de/cms/en/p^/fachabteiiungen/a^ či špičkových akreditovaných laboratórií aplikujú primárnu metódu kalibrácie. Používajú sa etalonážne zariadenia postavené na konštantnej, známej dĺžke skúšobného ramena (ďalej len ramena), kde za zmenu generovaného momentu sily sa považuje zmena hmotnosti záťaže, generovaná sadou etalónových závaží. V praxi sa najčastejšie používajú etalonážne zariadenia, v ktorých je snímač umiestnený tak, že jeho os otáčania je v horizontálnej rovine, pričom kolmo na jeho os je umiestnené rameno. Používa sa symetrické rameno, ktorého ťažisko je v osi otáčania snímača. Horizontálna (rovnovážna) poloha ramena (bez závaží) reprezentuje nulové zaťaženie kalibrovaného snímača. Horizontálna poloha ramena sa kontroluje sklonomerom a neskôr snímačmi dĺžky, ktorých správna, nulová poloha bola nastavená, pre daný účel vhodným, sklonomerom. Sila na konci ramena je generovaná etalónovým závažím rôznych menovitých hodnôt. Spôsob statickej kalibrácie je postavený na zavesení etalónovej záťaže na jeden z koncov ramena a následného vyrovnania ramena pevne spojeného so snímačom tak, aby sa rameno vrátilo do horizontálnej polohy a tak bola splnené podmienka, že rameno a generovaná sila zvierajú uhol 90°. Následne sa zo známej (zmeranej) hodnoty dĺžky ramena, konvenčnej hmotnosti záťaže, miestneho gravitačného zrýchlenia vypočíta hodnota generovaného momentu sily, ktorá sa porovná s indikáciou snímača. Snímače zvyčajne indikujú hodnoty krútiaceho momentu v smere, aj proti smeru hodinových ručičiek, teda kalibrácia sa v tom to prípade vykonáva pre obidva smery. Nevýhody uvedeného spôsobu:

• Kalibrácia snímača prebieha výhradne v diskrétnych bodoch, v závislosti od použitej záťaže. Nie je teda možné kalibrovať snímač v akomkoľvek meracom bode z definovaného meracieho rozsahu kalibrovaného snímača.

• V prípade požiadavky väčšieho počtu meracích bodov ako je štandardne používaná zostava závaží, je nevyhnutné vyrobiť extra závažia.

• Efektívne a bezpečné nakladanie závaží si vyžaduje ďalšie špeciálna riešenia.

• Horizontálna, rovnovážna poloha zaťaženého ramena závisí od presnosti merania jeho polohy sklonomerom, resp. kontrolnými snímačmi dĺžky.

• Zmena dĺžky ramena vplyvom zmeny teploty okolia, pri použití materiálov na báze nerezovej ocele, ktoré majú významnú teplotnú rozťažnosť, napríklad oproti kompozitným materiálom na báze uhlíkových vlákien.

Podstata technického riešenia

Uvedené nedostatky doterajšieho stavu techniky odstraňuje spôsob kalibrácie snímačov, kde zmena

SK 19-2022 U1 momentu sily je generovaná zmenou efektívnej dĺžky ramena momentu sily, (ďalej len efektívna dĺžka), ktorá je funkciou uhla sklonu ramena, na ktorom visia závažia. Pojem efektívna dĺžka ramena je vysvetlený na obrázku nižšie.

L- efektívna dĺžka ramena momentu sily ľ - konštrukčná dĺžka skúšobného ramena

Podstata technického riešenia spočíva v tom, že pre stanovenie výslednej hodnoty generovaného momentu sily sa nevyžaduje striktné splnenie podmienky, že rameno a generovaná sila zvierajú uhol 90°, ďalej sa nevyžaduje mať pre jednotlivé výsledné hodnoty generovaného momentu sily sady závaží odpovedajúcich hmotností, čo umožňuje meranie v akomkoľvek bode meracieho rozsahu a ďalej stanovenie horizontálnej polohy sa neodvíja od výsledkov meraní sklonomerom, či snímačov dĺžky, ktoré sú nahradené vysokokvalitným, presným meradlom uhla sklonu (rotačný enkóder). S presnosťou meradla sa zlepšuje rozlíšiteľnosť indikovaného údaja, ktorá má o. i. rozhodujúci vplyv na konečnú kvalitu etalonážneho zariadenia, čo umožňuje aplikovať technické riešenie, ktorého podstata bude ďalej opísaná postupom kalibrácie snímača.

Postup kalibrácie

V nasledujúcej časti bude vysvetlený postup kalibrácie snímača. Zaťaženie snímača sa generuje zmenou uhla sklonu ramena alebo zmenou hmotnosti závažia alebo kombináciou obidvoch spôsobov. Najprv sa rameno nastaví do východiskovej polohy, ktorá je vhodná na nakladanie závažia. Poloha ramena pri nakladaní môže byť blokovaná pohonom (elektromotor) alebo brzdou, ktorá je umiestnená na nosnom ráme (ďalej len rám) a hriadeli B. Na záves sa umiestnia závažia hmotnosti odpovedajúcej rozsahu kalibrácie a použitého spôsobu kalibrácie. Po naložení závažia sa rameno sklopí do vertikálnej polohy, čo odpovedá generovaniu nulového momentu sily. Snímač sa rozobrateľne uchytí medzi pripojovacie príslušenstvo. Po stabilizácii vertikálnej polohy ramena sa indikácia snímača a meradla uhla vynuluje. Potom sa riadiacou jednotkou dá pokyn pohonu na generovanie rotačného pohybu, ktorý cez prevodovku, generuje zmenu uhla sklonu ramena, zmenu efektívnej dĺžky a generuje zaťaženie snímača. Po tomto kroku sa porovná hodnota indikovaná snímačom s pravou hodnotou momentu sily vypočítanou zo známej dĺžky (konštrukčná dĺžka) ramena, z hodnoty údaja meradla uhla a hodnoty sily vyvolanej hmotnosťou naložených závaží.

Rozsah generovania momentu sily je daný ľavým dolným kvadrantom (I. kvadrant) s rozsahom uhla pootočenia 0° až 90°. Zaťažovaním v protismere hodinových ručičiek sa kalibruje ľavý smer snímača.

Vo výhodnom uskutočnení tohto spôsobu sa generuje zaťaženie snímača v opačnom smere zaťaženia, preložením závaží na druhú stranu ramena. Rozsah generovania momentu silyje potom daný pravým horným kvadrantom (III. kvadrant) v rozsahu medzi 180° až 270°. Zaťažovaním v smere hodinových ručičiek sa kalibruje pravý smer snímača.

Nedostatky doterajšieho stavu techniky odstraňuje zariadenie na kalibráciu snímačov, podľa technického riešenia, ktorého podstata bude ďalej opísaná popisom jeho jednotlivých znakov. Toto zariadenie pozostáva z rámu, na ktorom je pevne umiestnené lineárne vedenie, na ktorom je umiestnená prevodovka s pohonom, ktorý je pevne spojený hriadeľom A. Snímač je rozoberateľné umiestnený medzi pripojovacie príslušenstvo, uchytený napríklad hydraulickým, či mechanickým spojom. Pripojovacie príslušenstvo je na druhej strane pevne spojené s hriadeľom B, ktorý je podopretý v centrálnom ložisku (ložisko s minimálnym trením, napr. vzduchové ložisko) a pevne spojené s ramenom na konci, ktorého je čap, sekundárne ložisko so závesom, na

SK 19-2022 U1 ktorom visia závažia, pričom meradlo uhla sklonu ramena je umiestnené na hriadeli B a na ráme. Na ráme je uchytená riadiaca jednotka.

Vo výhodnom uskutočnení podľa technického riešenia je zariadenie vybavené brzdou. V ďalšom výhodnom vyhotovení zariadenia podľa technického riešenia je meradlom uhla sklonu ramena komunikačné prepojené s riadiacou jednotkou.

Vo výhodnom uskutočnení podľa technického riešenia je rameno vyrobené z kompozitu na báze uhlíkových vlákien.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Na obrázku č. 1 je znázornený spôsob statickej kalibrácie snímačov momentu sily a zariadenie na vykonávanie spôsobu, na ktorom sú jednotlivé časti technického riešenia označené vzťahovými značkami. Obrázok je určený pre účel anotácie. Na obrázkoch č. 2 a 3 sú znázornené pohľady na zariadenie na kalibráciu snímačov v 3D zobrazení. Na obrázkoch č. 4 až 7 sú znázornené pracovné polohy ramena pri kalibrácii snímača. Na obrázku č. 8 je príklad výhodného uskutočnenia, kedy je možné generovať zaťaženie snímača kombináciou zmeny uhla sklonu ramena a zmenou hmotnosti závaží.

Obrázok č. 1 Spôsob statickej kalibrácie snímačov momentu sily a zariadenie na vykonávanie spôsobu

Obrázok č. 2 Zariadenie na kalibráciu snímačov - pohľad zo strany s ramenom

Obrázok č. 3 Zariadenie na kalibráciu snímačov - pohľad zo strany pohonu

Obrázok č. 4 Príklad uskutočnenia 1 - kalibrácia ľavého smeru zaťaženia snímača - pohľad z prednej strany

Obrázok č. 5 Príklad uskutočnenia 1 - kalibrácia ľavého smeru zaťaženia snímača pohľad z boku

Obrázok č. 6 Príklad uskutočnenia 2 - kalibrácia pravého smeru zaťaženia snímača - pohľad z prednej strany

Obrázok č. 7 Príklad uskutočnenia 2 - kalibrácia pravého smeru zaťaženia snímača - pohľad z boku

Obrázok č. 8 Príklad uskutočnenia 3 - zmena hmotnosti závažia

Príklady uskutočnenia

Príklad 1

V príklade 1 konkrétneho uskutočnenia je opísaný spôsob kalibrácie snímačov podľa tohto technického riešenia, ktorý je znázornený na obrázku č. 4 a č. 5, kde sa kalibruje snímač v ľavom smere zaťažovania (proti smeru hodinových ručičiek). V tomto príklade uskutočnenie sa snímač kalibruje tak, že zaťaženie snímača sa generuje zmenou uhla sklonu ramena.

Na rameno 6, vo východiskovej, horizontálnej polohe (obrázok č. 5), sa na ľavý záves 8, ktorý je súčasťou čapu 10, uloženého v sekundárnom ložisku 7, zavesia závažia 9. Rameno 6 pevne osadené na hriadeli A 3, ktorý je podopretý centrálnym ložiskom 5, sa sklopí do vertikálnej polohy. Stabilizáciou vertikálnej polohy ramena 6 so zavesenými závažiami 9, sa generuje nulový moment sily. Snímač 1 sa uchytí pomocou pripojovacieho príslušenstva 2, medzi rameno 6 a prevodovku 13 s pohonom 14, ktorej lineárny pohyb umožňuje lineárne vedenie 12, umiestnené na ráme 11. Indikácia snímača 1 a meradla 15 uhla sa vynuluje. Riadiacou jednotkou 16 sa dá pokyn pohonu 14, ktorý prostredníctvom prevodovky 13, vykoná zmenu uhla sklonu (rozsah generovania momentu sily je daný ľavým dolným kvadrantom - I. kvadrant) pevne spojených časti, ktorými sú hriadeľ B 4, pripojovacie príslušenstvo 2, snímač 1, hriadeľ A 3 a rameno 6 so závažiami 9. Zmena uhla zodpovedá zmene generovaného zaťaženia snímača momentu sily 1. Po stabilizácii polohy sa porovná hodnota indikovaná snímačom 1 s pravou hodnotou momentu sily vypočítanou zo známej dĺžky ramena 6, hodnoty údaja meradla 15 uhla a hodnoty sily vyvolanej hmotnosťou závaží 9.

Príklad 2

V príklade 2 konkrétneho uskutočnenia je opísaný spôsob kalibrácie snímačov podľa tohto technického riešenia, ktorý je znázornený na obrázku č. 6 a č.7, kde sa kalibruje snímač v pravom smere zaťažovania (v smere hodinových ručičiek). V tomto príklade uskutočnenia sa snímač kalibruje tak, že zaťaženie snímača sa generuje zmenou uhla sklonu ramena. Na rameno 6, vo východiskovej, horizontálnej polohe (obrázok č. 7), sa na pravý záves 8, ktorý je súčasťou čapu 10, uloženého v sekundárnom ložisku 7, zavesia závažia 9. Rameno 6 pevne osadené na hriadeli A 3, ktorý je podopretý centrálnym ložiskom 5, sa sklopí do vertikálnej polohy. Stabilizáciou vertikálnej polohy ramena 6 so zavesenými závažiami 9, sa generuje nulový moment sily. Snímač 1 sa uchytí pomocou pripojovacieho príslušenstva 2, medzi rameno 6 a prevodovku 13 s pohonom 14, ktorej lineárny pohyb umožňuje lineárne vedenie 12, umiestnené na ráme 11. Indikácia snímača 1 a meradla 15 uhla

SK 19-2022 U1 sa vynuluje. Riadiacou jednotkou 16 sa dá pokyn pohonu 14, ktorý prostredníctvom prevodovky 13, vykoná zmenu uhla sklonu (rozsah generovania momentu sily je daný pravým horným kvadrantom - III. kvadrant) pevne spojených časti, ktorými sú hriadeľ B 4, pripojovacie príslušenstvo 2, snímač 1, hriadeľ A 3 a rameno 6 so závažiami 9. Zmena uhla zodpovedá zmene generovaného zaťaženia snímača momentu sily 1. Po stabilizácii polohy sa porovná hodnota indikovaná snímačom 1 s pravou hodnotou momentu sily vypočítanou zo známej dĺžky ramena 6, hodnoty údaja meradla 15 uhla a hodnoty sily vyvolanej hmotnosťou závaží 9.

Príklad 3

V príklade 3 konkrétneho uskutočnenia je opísaný spôsob kalibrácie snímačov podľa tohto technického riešenia, ktorý je znázornený na obrázku č. 8. V tomto príklade uskutočnenia sa snímač kalibruje tak, že zaťaženie snímača sa generuje zmenou hmotnosti závaží.

Na rameno 6, vo východiskovej, horizontálnej polohe, sa na pravý (obrázok č. 8) alebo ľavý záves 8 (podľa výberu smeru zaťažovania), ktorý je súčasťou čapu 10, uloženého v sekundárnom ložisku 7, zavesia závažia 9 špecifickej hmotnosti. Rameno 6 pevne osadené na hriadeli A 3, ktorý je podopretý centrálnym ložiskom 5, sa sklopí do vertikálnej polohy.

Stabilizáciou vertikálnej polohy ramena 6 so zavesenými závažiami 9, sa generuje nulový moment sily. Snímač 1 sa uchytí pomocou pripojovacieho príslušenstva 2, medzi rameno 6 a prevodovku 13 s pohonom 14, ktorej lineárny pohyb umožňuje lineárne vedenie 12, umiestnené na ráme 11. Indikácia snímača 1 a meradla 15 uhla sa vynuluje. Riadiacou jednotkou 16 sa dá pokyn pohonu 14, ktorý prostredníctvom prevodovky 13, vykoná zmenu sklonu pevne spojených častí, ktorými sú hriadeľ B 4, pripojovacie príslušenstvo 2, snímač 1, hriadeľ A 3 a rameno 6 so závažiami 9, o uhol 90°, čím sa rameno 6 sa dostane do horizontálnej polohy. Po stabilizácii polohy sa porovná hodnota indikovaná snímačom 1 s pravou hodnotou momentu sily vypočítanou zo známej dĺžky ramena 6 a hodnoty sily vyvolanej hmotnosťou závaží 9.

Príklad 4

V príklade 4 konkrétneho uskutočnenia je opísaný spôsob kalibrácie snímačov podľa tohto technického riešenia. V tomto príklade uskutočnenia sa snímač kalibruje tak, že zaťaženie snímača sa generuje zmenou hmotnosti závaží a zmenou uhla sklonu.

Na rameno 6, vo východiskovej, horizontálnej polohe (obrázok č. 7), sa na ľavý alebo pravý záves 8 (podľa výberu smeru zaťažovania), ktorý je súčasťou čapu 10, uloženého v sekundárnom ložisku 7, zavesia závažia 9 špecifickej hmotnosti. Rameno 6 pevne osadené na hriadeli A 3, ktorý je podopretý centrálnym ložiskom 5, sa sklopí do vertikálnej polohy. Stabilizáciou vertikálnej polohy ramena 6 so zavesenými závažiami 9, sa generuje nulový moment sily. Snímač 1 sa uchytí pomocou pripojovacieho príslušenstva 2, medzi rameno 6 a prevodovku 13 s pohonom 14, ktorej lineárny pohyb umožňuje lineárne vedenie 12, umiestnené na ráme 11. Indikácia snímača 1 a meradla 15 uhla sa vynuluje. Riadiaca jednotka 16 dá pokyn pohonu 14, ktorý prostredníctvom prevodovky 13, vykoná zmenu uhla sklonu (rozsah generovania momentu sily je daný pravým horným kvadrantom - III. kvadrant) pevne spojených častí, ktorými sú hriadeľ B 4, pripojovacie príslušenstvo 2, snímač 1, hriadeľ A 3 a rameno 6 so závažiami 9. Zmena uhla zodpovedá zmene generovaného zaťaženia snímača momentu sily 1. Po stabilizácii polohy sa porovná hodnota indikovaná snímačom 1 s pravou hodnotou momentu sily vypočítanou z o známej dĺžky ramena 6, hodnoty údaja meradla 15 uhla a hodnoty sily vyvolanej špecifickou hmotnosťou závaží 9.

Vo výhodnom uskutočnení technického riešenia sa pre zabezpečenie jednotlivých pozícii môže použiť brzda 17.

Vo výhodnom uskutočnení technického riešenia sa meradlo 15 uhla sklonu ramena prepojí s riadiacou jednotkou 16 a dáva jej presnú informáciu o polohe skúšobného ramena 6.

Vo výhodnom uskutočnení technického riešenia sa použije materiál skúšobného ramena 6 z kompozitu na báze uhlíkových vlákien.

Priemyselná využiteľnosť

Zariadenie je možné využiť v kalibračných a skúšobných laboratóriách primárnej, sekundárnej metrológie, v laboratóriách výrobcov snímačov statického momentu sily. Zariadenie je jedinečným riešením na medzinárodnej úrovni.

SK 19-2022 U1

Zoznam vzťahových značiek

1. Snímač 1

2.	Pripojovacie príslušenstvo	2
3.	Hriadeľ A	3
4.	Hriadeľ B	4
5.	Centrálne ložisko	5
6.	Rameno	6
7.	Sekundárne ložisko	7
8.	Záves	8
9.	Závažia	9
10.	Čap	10
11.	Rám	11
12.	Lineárne vedenie	12
13.	Prevodovka	13
14.	Pohon	14
15.	Meradlo uhla	15
16.	Riadiaca jednotka	16
17.	Brzda	17

Claims (6)

1. Spôsob statickej kalibrácie snímačov momentu sily, vyznačujúci sa tým, že zaťaženie snímača (1) sa generuje zmenou uhla sklonu ramena (6) alebo zmenou hmotnosti závaží (9) alebo kombináciou obidvoch spôsobov, najprv sa rameno (6) nastaví do východiskovej polohy, na záves (8) sa umiestnia závažia (9) na sklopenie ramena (6) do vertikálnej polohy a generovanie nulového momentu sily, snímač (1) sa uchytí medzi pripojovacie príslušenstvo (2), indikácia snímača (1) a meradla (15) uhla sa vynuluje, potom riadiacou jednotkou (16) sa dá pokyn pohonu (14) na generovanie rotačného pohybu, ktorý cez prevodovku (13), generuje zmenu uhla sklonu ramena (6), zmenu efektívnej dĺžky ramena momentu sily a generuje zaťaženie snímača (1), nakoniec sa porovná hodnota indikovaná snímačom (1) s pravou hodnotou momentu sily vypočítanou zo známej dĺžky ramena (6), z hodnoty údaja meradla (15) uhla a hodnoty sily vyvolanej hmotnosťou závaží (9).

2. Spôsob statickej kalibrácie snímačov momentu sily podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že zaťaženie snímača (1) je generované v opačnom smere zaťaženia, preložením závaží (9) na druhú stranu ramena (6).

3. Zariadenie na statickú kalibráciu snímačov momentu sily, vyznačujúce sa tým, že pozostáva z rámu (11), na ktorom je umiestnené lineárne vedenie (12), na ktorom je umiestnená prevodovka (13) s pohonom (14), ktorý je pevne spojený hriadeľom A (3) so snímačom (1), rozoberateľné umiestneným medzi pripojovacím príslušenstvom (2), ktoré je pevne spojené s hriadeľom B (4), podopretým v centrálnom ložisku (5) a s ramenom (6), na konci ktorého je čap (10), sekundárne ložisko (7) so závesom (8), na ktorom visia závažia (9), pričom meradlo (15) uhla je umiestnené na hriadeli B (4) a na ráme (11), na ktorom je uchytená riadiaca jednotka (16).

4. Zariadenie na statickú kalibráciu snímačov momentu sily, podľa nároku 3, vyznačujúce sa tým, že na hriadeli B (4) a ráme (11) je umiestnená brzda (17).

5. Zariadenie na statickú kalibráciu snímačov momentu sily, podľa nároku 3, vyznačujúce sa tým, že riadiaca jednotka (16) je komunikačné prepojená s meradlom (15) uhla.

6. Zariadenie na statickú kalibráciu snímačov momentu sily podľa nároku 3, vyznačujúce sa tým, že rameno (6) je vyrobené z kompozitu na báze uhlíkových vlákien.