ES2262566T3 - Dispositivo pesador. - Google Patents

Abstract

Dispositivo pesador con un bastidor (6) de báscula; un transductor (1) para fuerzas de flexión montado estacionariamente con un primer extremo en el bastidor (6) de la báscula y cuyo segundo extremo libre se ha configurado como elemento (4; 204) de aplicación de fuerzas y está unido con el primer extremo por medio de una sección (2; 202) de barra flexoelástica, que presenta una única abertura, que discurre transversalmente a la dirección longitudinal del transductor (1) de fuerzas y que está configurada simétricamente con respecto a un plano (16; 216) horizontal; y con una disposición sensora con, al menos, dos sensores (12, 13, 14, 15) extensométricos dispuestos simétricamente con respecto al plano (16, ; 216) horizontal de simetría para transformar en una señal eléctrica de pesada la deformación provocada a causa de un peso F, que actúa sobre el elemento de aplicación de fuerzas del transductor (1) para fuerzas, caracterizado porque los sensores (12, 13, 14, 15) extensométricos de la disposición sensora se han dispuesto de forma espacialmente asimétrica con respecto al plano de simetría de la abertura, que discurre transversalmente al eje longitudinal del transductor para fuerzas y exclusivamente en la región del extremo de la sección (2; 202) de barra, que apunta hacia el elemento (4; 204) de aplicación de fuerzas.

Description

Dispositivo pesador.

El invento se refiere a un dispositivo pesador con un bastidor de báscula, a un transductor para fuerzas de flexión montado estacionariamente con un primer extremo en el bastidor de la báscula, cuyo segundo extremo libre se ha configurado como elemento de aplicación de fuerzas y que está unido con el primer extremo por medio de una sección de barra flexoelástica, que presenta una abertura, en especial una perforación cilíndrica, transversalmente a la dirección longitudinal del transductor para fuerzas, configurada simétricamente con respecto a un plano horizontal, y a una disposición sensora con, al menos, dos sensores extensométricos dispuestos simétricamente respecto al plano horizontal de simetría para transformar, en una señal de pesado eléctrica, la deformación del transductor para fuerzas provocada a causa de un peso F, que actúa sobre el elemento de aplicación de fuerzas del transductor para fuerzas.

Los transductores para fuerzas de flexión antes descritos, a instalar en un dispositivo pesador, se fabrican preferiblemente a partir de un material elásticamente deformable de una pieza, como metal o cerámica, y se conocen en diversas formas constructivas. Se utilizan preferiblemente en básculas industriales y comerciales con campos de peso menores de 5 t. Con este tipo de construcción, se consigue, en la región de la sección de la barra, una especie de barra articulada en paralelogramo, a causa de la abertura que discurre transversalmente a la dirección longitudinal a través de los puentes residuales, que quedan arriba y abajo y que forman la barra flexoelástica, ya que el extremo rígido, libre, del transductor para fuerzas de flexión se mueve, al aplicar una carga casi paralelamente al extremo opuesto y fijado primero de forma inmóvil al bastidor de la báscula.

Un dispositivo pesador con un transductor para fuerzas de flexión del género descrito al principio se conoce, por ejemplo, a partir del documento DE-PS 12 06 622. En este caso, se utiliza un transductor para fuerzas de flexión en forma de viga con una sección transversal rectangular, que presenta una abertura de forma cilíndrica. Los sensores extensométricos se disponen por parejas, simétricamente al plano vertical central de la abertura transversal, en su pared interior cilíndrica y/o en las superficies exteriores planas superior e inferior de la sección de la barra, también llamada cuerpo elástico.

Se conocen transductores para fuerzas elástica con más de una sola abertura, por ejemplo, a partir del documento de la patente US 2.866.059. Allí, se han unido mutuamente dos perforaciones cilíndricas por medio de un puente. También se han dispuesto allí los sensores extensométricos simétricamente con respecto al plano vertical de simetría de la abertura.

En caso de realización de una pieza, el transductor para fuerzas de flexión se hace frecuentemente de acero fino. Este material tiene, con respecto a otros materiales, la ventaja de la mejor resistencia a la corrosión, aunque presenta como inconveniente decisivo un error de histéresis comparativamente grande.

Debido a la magnitud del error de histéresis no es posible la aplicación de los correspondientes dispositivos pesadores con resoluciones mayores de 3000 d, es decir, un número contrastable de más de 3000 valores de división.

También resoluciones de 3000 d sólo se pueden conseguir con una parte de dichos transductores para fuerzas de flexión, siempre y cuando sean seleccionados en la fabricación.

Es problema del presenta invento perfeccionar un dispositivo pesador con un transductor para fuerzas de flexión del género indicado anteriormente de modo que disminuya el error de histéresis y sea posible una resolución de más de 3000 d.

Este problema se resuelve, en el dispositivo pesador descrito al principio, de modo que los sensores extensométricos de la disposición sensora se dispongan de modo espacialmente asimétrico con respecto a un plano vertical de simetría de la abertura, que discurra transversalmente al eje longitudinal del transductor para fuerzas y exclusivamente en la región del extremo de la sección de barra, que apunta al elemento de aplicación de la fuerza.

Expresado de otra forma, los sensores extensométricos de la disposición sensora se han dispuesto asimétricamente con respecto a un plano vertical (que discurre transversalmente al eje longitudinal del transductor para fuerzas de flexión), que pasa por el eje longitudinal de la abertura transversal, y precisamente orientados hacia el elemento de aplicación de la fuerza.

Sorprendentemente, se obtiene un error de histéresis notablemente reducido en la medición, por la disposición asimétrica de los sensores extensométricos en el extremo de la sección de barra, que apunta hacia el elemento de aplicación de la fuerza.

A partir del documento JP-7-35601 A, se conoce asimismo un transductor para fuerzas de flexión, en el que se han unido dos perforaciones cilíndricas como aberturas por medio de un puente para formar un espacio hueco continuo análogamente a la solución de los documentos de la patente US- 2.866.059. Sin tener en cuenta que este transductor para fuerzas de flexión presenta dos aberturas, en vez de una sola, se han dispuesto allí los sensores extensométricos a los lados de la pieza de fijación. Con una disposición semejante, el efecto de la histéresis se refuerza aún más y no se consigue el efecto según el invento.

Las ventajas factibles con el presente invento consisten especialmente en que, a consecuencia de la disposición asimétrica de los sensores extensométricos con respecto a la sección de barra, el error de histéresis se disminuye decisivamente, de modo que el transductor para fuerzas de flexión utilizado según el invento en el dispositivo pesador puede alcanzar, en comparación con el conocido según el estado actual de la técnica con una disposición de transductor extensométrico simétrica, más del doble del número valores de división, por ejemplo, más de 6000 d.

Es importante, en cada caso, que los sensores extensométricos, como se ha definido arriba, se dispongan en la región del extremo de la sección de barra, que se ha dispuesto próximamente al elemento de aplicación de la fuerza.

Los sensores extensométricos se disponen además convenientemente en los lugares de la sección de barra, en los que se presenta una deformación máxima en caso de aplicación de fuerza. Estos lugares son los llamados lugares de articulación de la barra, y en ellos se genera una señal eléctrica máxima por medio de los sensores extensométricos.

Uno de los lugares preferidos para colocar los sensores extensométricos de la disposición sensora es la pared interior de la perforación. Alternativamente, se pueden disponer también los sensores extensoméricos en la superficie exterior superior del transductor de fuerzas, teniendo, por cierto, la disposición en la pared interior la ventaja de que los sensores extensométricos se protegen mejor aquí contra influencias externas de tipo mecánico.

La instalación de los sensores extensométricos en las superficies exteriores del transductor para fuerzas de flexión tiene la ventaja de que se puede montar y conexionar mejor.

Se prefiere utilizar una perforación transversal cilíndrica como abertura o una abertura, que se desvíe en sección transversal poco de ella y presente una forma de agujero alargado. La perforación transversal cilíndrica como abertura tiene la ventaja de que se puede realizar con mayor sencillez y, por tanto, más económicamente en comparación con una abertura transversal, que se desvíe de la forma circular. Además, las perforaciones transversales cilíndricas se pueden cerrar o bien obturar lateralmente con medios sencillos y, por consiguiente, protegen mejor los sensores extensométricos sensibles a la humedad, dispuestos, dado el caso, en la pared interior de la perforación transversal. Esto significa que un dispositivo pesador con una transductor para fuerzas de flexión de este tipo constructivo se puede utilizar también en caso de influencias ambientales desfavorables.

Se disponen preferiblemente los sensores extensométricos a igual distancia del plano de simetría horizontal. Esto permite una evaluación especialmente sencilla de las señales de los sensores extensométricos. Al mismo tiempo resulta oportuno disponer los sensores extensométricos de la disposición sensora simétricamente al eje longitudinal del transductor para fuerzas de flexión.

Una forma de realización especialmente preferida contiene los sensores extensométricos de la disposición sensora, incluyendo los conductores eléctricas impresos, imprimidos en una hoja flexible común de circuitos impresos y como una unidad en la pared interior de la abertura.

Se utilizan además preferiblemente cuatro sensores extensométricos para la disposición sensora, que se conexionan en una hoja de circuitos impresos en forma de un puente de Wheatstone integral.

Alternativamente, puede utilizarse también una disposición sensora con dos sensores, completándose éstos con dos resistencias fijas pasivas y conexionándose así en puente de Wheatstone. También, en este caso, se pueden integrar los elementos de circuito (DMS y resistencias fijas) en un lámina de pistas impresas común.

La forma de realización con sólo dos sensores extensométricos se puede fabricar más económicamente en costes, que la de utilización de cuatro sensores extensométricos, donde, por cierto, hay que contentarse con una resolución algo menor en la medición del peso.

La impresión común de los elementos de los sensores extensométricos y de los conductores impresos en la hoja de circuitos impresos reduce el número de conexiones eléctricas impresas al transductor para fuerzas de flexión, y, además, la aplicación de los cuatro sensores extensométricos en el cuerpo elástico se reduce a un único grupo constructivo.

Estas y otras ventajas del invento se explican, a continuación, aún mas detalladamente a base de la descripción y del dibujo. Se muestra en detalle en la:

Figura 1 una vista frontal de un transductor para fuerzas de flexión según el invento;

Figura 2 una vista en planta desde arriba del transductor para fuerzas de flexión según el invento de la figura 1;

Figura 3 una sección a través de la línea A-A de la figura 1;

Figura 4 un circuito en puente para la disposición de sensores extensométricos según las figuras 1 a 3;

Figura 5 un grupo constructivo de sensores extensométricos en una hoja de circuitos impresos;

Figura 6 una sección según la figura 3 en una segunda forma de realización modificada;

Figura 7 un circuito en puente para la disposición de sensores extensométricos según la figura 5;

Figura 8 una vista frontal de un transductor para fuerzas de flexión según el invento de acuerdo con una tercera forma de realización;

Figura 9 una vista frontal de una cuarta forma de realización de un transductor para fuerzas de flexión según el invento; y

Figura 10 un alzado lateral del transductor para fuerzas de flexión de la figura 8 en la dirección "X" de la flecha.

Las figuras 1 a 3 muestran esquemáticamente un transductor 1 para fuerzas de flexión en forma de una viga flexible con una sección 2 de barra deformable flexoelásticamente, que presenta una perforación 3 transversal cilíndrica continua como abertura. El transductor para fuerzas de flexión comprende en su extremo libre un elemento 4 de aplicación de fuerzas relativamente rígido, en el que se puede aplicar una fuerza F a medir, por ejemplo, un peso. Con una pieza 5 de fijación, asimismo relativamente rígida, en el primer extremo del transductor 1 para fuerzas de flexión, se fija éste estacionariamente en la base fija o en el bastidor 6 de la báscula por medio de dos tornillos 7. La base está escalonada de modo que la mayor parte del transductor 1 para fuerzas de flexión destaque libremente con la sección 2 de barra y el elemento 4 de aplicación de la fuerza.

Los puentes residuales horizontales, que quedan por encima y por debajo de la perforación transversal en la región de la sección 2 de barra forman barras 8, 9 flexoelásticas. Toda la ordenación forma de este modo una barra articulada en forma de paralelogramo de tipo conocido por sí mismo.

Si se aplica verticalmente una fuerza F en el elemento de aplicación de fuerzas del transductor 1 para fuerzas de flexión, entonces se mueve éste hacia abajo, a consecuencia de su unión a la pieza 5 estacionaria de fijación por medio de los puentes 8, 9 flexoelásticos, aproximadamente paralelamente a la pieza 5 de fijación. En la pared 10 interior de la perforación 3 transversal, tal como se puede observar en las figuras 1 y 3, se han dispuesto cuatro elementos 12 a 15 de sensores extensométricos (DMS), asimétricamente respecto a un plano 11 vertical de simetría de la perforación 3, del lado del elemento 4 de aplicación de la fuerza. La colocación de los DMS respecto del plano 16 horizontal de simetría de la perforación 3 es simétrica. Cada dos DMS 12, 13 quedan por encima y cada dos DMS 14, 15 quedan por debajo y a la misma distancia del plano 16 de simetría.

La colocación de los DMS respecto del plano 17 vertical de simetría respecto del eje longitudinal del transductor 1 para fuerzas de flexión es asimismo simétrica. Cada dos DMS 12, 14 y 14, 15 se han dispuesto a la misma distancia a ambos lados del eje longitudinal.

Esta disposición asimétrica según el invento de los DMS respecto del plano 11 vertical de simetría de la perforación 3 implica la ventaja de un error de histéresis muy bajo. Esto resulta de que todo el error de histéresis del transductor 1 para fuerzas de flexión es una superposición del comportamiento local de la histéresis en los puntos de las posiciones de los
DMS.

La disposición de los sensores 12 a 15 extensométricos en los conocidos transductores para fuerzas de flexión de este género, observada espacialmente, es simétrica con respecto al plano 11 vertical de simetría de la perforación 3 transversal. Sin embargo, tal simetría no se encuentra, en ningún caso, para las extensiones locales en los puntos de los sensores extensométricos. La razón de ello consiste, para transductores del tipo constructivo mencionado, en la posición de la aplicación de la fuerza, que está desplazada en dirección longitudinal con respecto a la posición de los sensores extensométricos.

Con la disposición espacialmente asimétrica, según el invento, de los DMS 12 a 15 con respecto al plano 11 vertical de simetría en la pared 10 de la perforación transversal es posible reducir decisivamente el error de histéresis. Esto es así para explicar que la extensión de los DMS 12 a 15, con la colocación descrita, será ahora simétrica y se minimizará el error de histéresis en acción combinada con las propiedades de la conexión en puente de Wheatstone.

Los cuatro DMS 12 a 15 están conectados, como se ha representado simplificadamente en la figura 4, de forma conocida en puente de Wheatstone integral. Mediante una fuente U de tensión, se ponen bajo tensión los dos lados del puente con los elementos 12, 13 o bien 14, 15 de resistencia DMS. En el caso de una carga del transductor 1 para fuerzas de flexión con un peso F, se genera una señal S de salida proporcional al peso, que se transforma, de modo conocido, en un valor digital del peso por medio de un circuito de evaluación, no representado, con un convertidor digital-analógico.

La conexión eléctrica de los DMS 12 a 15 a la alimentación de tensión y al circuito de evaluación, que quedan fuera habitualmente del transductor 1 para fuerzas de flexión, se practica de forma conocida por medio de un paso, no representado, a través de la pieza 5 de fijación. En los cuatro elementos DMS fijados individualmente en la sección de la barra, se requiere además un cable de conexión de ocho conductores, o se han de prever elementos de conexión adicionales en proximidad inmediata de los DMS.

La figura 5 representa una variante de solución en la que los cuatro DMS 12 a 15 se combinan en un unidad y se aplican sobre una hoja 18 flexible de conductores impresos conjunta, que luego se fija como un grupo constructivo en la pared 10 interior de la perforación 3 transversal. En la hoja 18 de conductores impresos, se imprimen, al mismo tiempo que los DMS, pistas impresas no representadas. En esta variante, se requiere tan sólo un cable de conexión de cuatro conductores para el circuito de evaluación y la alimentación de corriente. Además, se simplifica la instalación de los cuatro DMS en la sección de la barra.

En la figura 6 se ha representado una segunda forma de realización modificada. Al contrario que en la primera forma de realización descrita según las figuras 1 a 3, se han fijado en esta versión "depauperada" sólo dos DMS 12, 14 en la sección 2 de barra. La disposición espacial de los DMS 12, 14 es, como en la figura 1, según el invento asimétrica al plano 11 vertical de simetría de la perforación 3 transversal del lado 4 de la aplicación de la fuerza. La disposición respecto al plano 16 horizontal de simetría de la perforación 3 transversal es simétrica. Pero como sólo se utilizan dos DMS 12, 14, se colocan simétricamente respecto del eje longitudinal del transductor 1 para fuerzas de flexión, que queda en el plano 17 de simetría.

Puesto que la disposición de conexiones de la segunda forma de realización, según la figura 7, se diferencia de la primera forma de realización, según la figura 4, en que, en lugar de los elementos 13, 15 activos de resistencia DMS, se utilizan dos resistencias 13', 15' pasivas fijas. La segunda forma de realización se puede fabricar, por tanto, más económicamente en costes. El número contrastable y factible de valores de división no resulta, sin embargo, tan alto como en la primera forma de realización.

Una tercera forma de realización de un transductor para fuerzas de flexión de acuerdo con el invento, según la figura 8, presenta un paso 221 transversal, que se ha configurado en forma de agujero alargado. Arriba y abajo quedan puentes residuales delgados, paralelos a las superficies exteriores del cuerpo 202 elástico como barras 208, 209 flexoelásticas. Los cuatro DMS 12 a 15 son simétricos al plano 216 horizontal de simetría y asimétricos respecto al plano 111 vertical de simetría del paso 221 transversal, es decir, próximamente al lado 204 de la aplicación de la fuerza de la sección 202 de barra, en cuya pared 210 interna se ha dispuesto de igual modo que en la tercera forma de realización. La colocación de los DMS es similar a la de la figura 3 o, para una posible variante de ahorro con dos DMS, análoga a la de la figura 6.

Otra cuarta forma de realización adicional de un transductor para fuerzas de flexión según el invento se ha representado en las figuras 9 y 10. La sección 2 de barra es idéntica a la de la primera forma de realización, aunque los cuatro DMS 12 a 15 no están en la pared interior de la perforación 3 transversal, sino que cada dos DMS 12, 13 se han dispuesto en la superficie 301 exterior superior y cada dos DMS 14, 15, en la superficie 302 exterior inferior del cuerpo 202 elástico, de tal modo que queden asimétricamente respecto del plano 11 vertical de simetría de la perforación 3 transversal, a la misma distancia, en cada caso, del plano de simetría en la región de espesor creciente de los puentes 8, 9 y del lado 4 de la aplicación de la fuerza de la sección 2 de la barra. En relación con el plano 17 vertical de simetría del eje longitudinal de la sección 2 de barra, se ha dispuesto la totalidad de los cuatro DMS 12 a 15 a la misma distancia.

Claims (9)

1. Dispositivo pesador con un bastidor (6) de báscula; un transductor (1) para fuerzas de flexión montado estacionariamente con un primer extremo en el bastidor (6) de la báscula y cuyo segundo extremo libre se ha configurado como elemento (4; 204) de aplicación de fuerzas y está unido con el primer extremo por medio de una sección (2; 202) de barra flexoelástica, que presenta una única abertura, que discurre transversalmente a la dirección longitudinal del transductor (1) de fuerzas y que está configurada simétricamente con respecto a un plano (16; 216) horizontal; y con una disposición sensora con, al menos, dos sensores (12, 13, 14, 15) extensométricos dispuestos simétricamente con respecto al plano (16,; 216) horizontal de simetría para transformar en una señal eléctrica de pesada la deformación provocada a causa de un peso F, que actúa sobre el elemento de aplicación de fuerzas del transductor (1) para fuerzas, caracterizado porque los sensores (12, 13, 14, 15) extensométricos de la disposición sensora se han dispuesto de forma espacialmente asimétrica con respecto al plano de simetría de la abertura, que discurre transversalmente al eje longitudinal del transductor para fuerzas y exclusivamente en la región del extremo de la sección (2; 202) de barra, que apunta hacia el elemento (4; 204) de aplicación de fuerzas.

2. Dispositivo pesador según la reivindicación 1, caracterizado porque la abertura (3) es una perforación sensiblemente cilíndrica.

3. Dispositivo pesador según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque los sensores (12, 13, 14, 15) extensométricos de la disposición sensora se han dispuesto en la pared (10; 210) interior de la abertura (3; 221).

4. Dispositivo pesador según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque los sensores (12, 13, 14, 15) extensométricos de la disposición sensora se han dispuesto en las superficies (301, 302) exteriores del transductor (1) para fuerzas.

5. Dispositivo pesador según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque los sensores (12, 13, 14, 15) extensométricos se han dispuesto a igual distancia del plano (16) horizontal de sime-
tría.

6. Dispositivo pesador según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque los sensores (12, 13, 14, 15) extensométricos de la disposición sensora se han imprimido incluyendo la red de circuitos impresos en una hoja flexible de circuitos impresos común y se han fijado como una unidad en la pared (10; 210) interior de la perforación (3; 221).

7. Dispositivo pesador según la reivindicación 6, caracterizado porque la disposición sensora comprende cuatro sensores (12, 13, 14, 15) extensométricos, que se han conexionado en una hoja (18) de circuitos impresos formando un puente de Wheatstone integral.

8. Dispositivo pesador según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque los sensores (12, 13, 14, 15) extensométricos de la disposición sensora se han dispuesto simétricamente con respecto al eje longitudinal del transductor (1) para fuerzas de flexión.

9. Dispositivo de pesado según la reivindicación 8, caracterizado porque la disposición sensora comprende dos sensores (12, 14) extensométricos, que se han completado con dos resistencias (13', 15') fijas pasivas y se han conexionado para formar un puente de Wheatstone.