PL243804B1 - Sposób i elektroniczne urządzenie do pomiaru ciężaru obiektu - Google Patents

Abstract

Sposób pomiaru ciężaru obiektu polega na tym, że ciężarem jednocześnie oddziałuje się na sprężyny śrubowe (2, 6) będące jednocześnie cewkami indukcyjnymi, tworzące różnicowy układ pomiarowy, w którym jedne sprężyny rozciąga się a inne skraca, zmieniając w ten sposób ich indukcyjność, proporcjonalnie do mierzonej siły ciężkości. Przedmiotem wynalazku jest też elektroniczne urządzenie do pomiaru ciężaru obiektu.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i elektroniczne urządzenie do pomiaru ciężaru obiektu.

Aktualnie elektroniczne wagi wykorzystują głównie trzy rodzaje mechanizmów pomiarowych. Są to wagi wyposażone w czujniki tensometryczne, magnetoelektryczne i wibracyjne. Wagi tensometryczne przetwarzają naważkę na ugięcie belki, które może być mierzone tensometrami elektrooporowymi lub czujnikiem indukcyjnym z ruchomym rdzeniem. W wadze magnetoelektrycznej szalka z naważką jest połączona mechanicznie z cewką indukcyjną, która znajduje się w polu magnetycznym magnesu. Siła od naważki jest równoważona przez siłę działającą na cewkę, przez którą przepływa prąd. Ponadto waga ta jest wyposażona w czujnik położenia cewki. Sygnałem mierzonym jest natężenie prądu cewki regulowanego tak, aby utrzymać niezmienne położenie cewki. Wagi tensometryczne i magnetoelektryczne powinny być wyposażone w przetworniki analogowo-cyfrowe. Waga wibracyjna posiada listwę sprężystą pobudzaną do drgań własnych, o częstotliwości zależnej od naprężenia proporcjonalnego do ważonego ciężaru.

Wagi magnetoelektryczne mają skomplikowaną budowę i duży pobór energii ze źródła zasilania, co wiąże się z trudnością spełnienia warunków iskrobezpieczeństwa. W wagach tensometrycznych do ważenia małych ciężarów występują problemy związane z tym, że grubość kleju pod tensometrem zaczyna być porównywalna do grubości belki zginanej.

Wagi te mierzą ciężar obiektu, ale wyskalowane są na ogół w jednostkach masy, czyli np. w gramach lub kilogramach.

Zgodnie z wynalazkiem sposób pomiaru ciężaru obiektu, polega na tym, że mierzonym ciężarem jednocześnie oddziałuje się na pionowe sprężyny śrubowe umieszczone współosiowo jedna nad drugą będące jednocześnie cewkami indukcyjnymi obwodu oscylatora LC, tworzącymi różnicowy układ pomiarowy, w którym górna sprężyna rozciąga się a dolna skraca, zmieniając w ten sposób ich indukcyjność i częstotliwość oscylacji w różnicowym układzie pomiarowym, a następnie z różnicy zmian częstotliwości pochodzących od cewki górnej i dolnej wyznacza się mierzoną siłę ciężkości Q według wzoru:

Q = g-m = + ^)] = kty_g - Sf_d) gdzie:

g i m - przyspieszenie ziemskie i masa ważonego ciała, δ/g \ δ/d- względne zmiany częstotliwości z górnej i dolnej cewki, δfz- częstotliwość pochodząca od zakłóceń systematycznych, /r-stała przyrządu.

Elektroniczne urządzenie do pomiaru ciężaru obiektu według wynalazku składa się z pionowych sprężyn śrubowych umieszczonych współosiowo jedna nad drugą, stanowiących cewki indukcyjne, połączonych wzajemnie mechanicznie i elektrycznie za pośrednictwem ramki z wahliwą szalką na mierzony ciężar, zawieszoną osiowo do górnej części ramki, powodując rozciągnięcie górnej i skrócenie dolnej sprężyny. Drugie, zewnętrzne końce sprężyn zamocowane do korpusu urządzenia, podłączone są przez przełącznik do oscylującego obwodu rezonansowego LC połączonego za pośrednictwem częstościomierza z procesorowym układem sterująco - rejestrującym połączonym jednocześnie z przełącznikiem realizującym naprzemienne podłączanie sprężyn do tego samego oscylatora, tworząc przetwornik: ciężar - różnica zmian częstotliwości ze sprężyny górnej i dolnej, a sprężyny te połączone są za pośrednictwem ramki i pomocniczej cewki z elektryczną masą układu oscylatora.

Sprężyna śrubowa górna i sprężyna śrubowa dolna, stanowiące cewki indukcyjne, korzystnie wyposażone są w rdzenie ferromagnetyczne.

Każda sprężyna śrubowa, górna i dolna, korzystnie składa się z dwóch sprężyn połączonych elektrycznie szeregowo, a mechanicznie równolegle, odizolowanych elektrycznie od ramki w taki sposób, że jeden z ich zewnętrznych końców połączony jest z masą oscylatora, a drugi z obwodem rezonansowym.

Przyjmując stałość przyspieszenia ziemskiego, przyrząd można wyskalować w jednostkach masy.

Zakłócenia systematyczne, głównie zmiany temperatury i napięcie zasilania, oddziałujące na układ oscylatora, z wyjątkiem cewek, zostaną praktycznie wyeliminowane w różnicowym układzie pomiarowym z jednym oscylatorem, jeśli są one wolno zmienne w porównaniu do czasu przełączania cewek. Znaczna symetria parametrów mechanicznych i elektrycznych sprężyn śrubowych górnej i dolnej, stanowiących cewki, pozwala również na znaczną redukcję wpływu temperatury na częstotliwość oscylacji. Temperatura wpływa w różnoraki sposób na sprężyny śrubowe: poprzez zmianę ich wymiarów, na co składa się głównie zależność współczynnika sprężystości od temperatury i w mniejszym stopniu rozszerzalność termiczna uzwojenia oraz termiczne zmiany rezystancji sprężyn śrubowych. Dalszą redukcję wpływu temperatury na sprężyny może wyliczyć procesor, gdy znana jest uprzednio zależność częstotliwości oscylacji od temperatury.

Różnicowy układ pomiarowy, w którym jedna sprężyna jest wydłużana a druga skracana pozwala również, oprócz redukcji wpływu zmian temperatury na pomiar, na linearyzację charakterystyki masa - częstotliwość. Można uznać, że zależność masa - długość sprężyn śrubowych jest liniowa, ale sygnałem mierzonym jest częstotliwość, która jest proporcjonalna do pierwiastka z długości sprężyny. W układzie z jedną sprężyną charakterystyka wagi masa vs częstotliwość byłaby więc proporcjonalna do pierwiastka z przyrostu masy. W układzie, gdy jedna sprężyna jest wydłużana a druga skracana ich charakterystyki są pierwiastkowe, ale wzajemnie odwróco ne i w efekcie ich suma jest niemal linią prostą.

Dalszą linearyzację charakterystyki realizują nieruchome rdzenie ferromagnetyczne wewnątrz sprężyn, umieszczone tak, aby sprężyny mogły zmieniać swoją długość bez tarcia o rdzenie. W rozciąganej sprężynie z rdzeniem indukcyjność maleje z dwóch powodów: przez zwiększenie odległości między zwojami i ponieważ coraz więcej zwojów znajduje się poza wpływem rdzenia ferromagnetycznego. Linearyzacji charakterystyki towarzyszy wzrost czułości. Obecność rdzenia zwiększa także indukcyjność sprężyn, co zmniejsza negatywny wpływ indukcyjności połączeń, które destabilizują pracę oscylatora i zmniejszają czułość wagi. Z powodu konieczności minimalizacji indukcyjności połączeń oscylator powinien znajdować się jak najbliżej sprężyn śrubowych.

Przedmiot wynalazku zostanie bliżej objaśniony na przykładzie wykonania uwidocznionym na rysunku, na którym fig. 1A, przedstawia schematycznie urządzenie z czujnikami indukcyjnymi, fig. 1B przedstawia inny wariant tego urządzenia, fig. 2 przedstawia rezultat wzorcowania urządzenia podczas jego obciążania i odciążania z podaniem czułości przetwornika s i współczynnika determinacji R² aproksymowania punktów wzorcowania funkcją liniową oraz histerezę odciążania wagi, a fig. 3 pokazuje stabilność wskazań wagi w ciągu 10 dni.

Urządzenie zaprojektowano i wykonano do pomiaru zmiany ciężaru węgla podczas sorpcji i desorpcji metanu w komorze ciśnieniowej. W takim wypadku niewielkie wymiary ustroju pomiarowego, w tym przypadku czujników indukcyjnych, są istotne, ponadto mała ich indukcyjność, rzędu kilku mikrofaradów, zapewnia wymóg iskrobezpieczeństwa.

Do korpusu 1 przymocowane są sprężyny śrubowe wykonane ze sprężystego drutu 2 i 6, stanowiące cewki indukcyjne, o możliwie dużej indukcyjności, poprzez izolatory 8. Sprężyny te są czujnikami zmiany długości. Pomiędzy sprężynami znajduje się ramka 3, wykonana z przewodzącego drutu, która łączy sprężyny mechanicznie i elektrycznie. Do ramki zamocowana jest wahliwie szalka 4 z ważonym ciężarem. We wnętrzu sprężyn znajdują się rdzenie ferromagnetyczne 7, umocowane tak, aby umożliwić swobodną, bez tarcia, zmianę długości sprężyn. Końce sprężyn zamocowanych do ramy 1 są połączone przewodami elektrycznymi 11 z oscylatorem LC 10, poprzez przełącznik 9. Przełącznik ten naprzemiennie podłącza raz sprężynę górną 2 a raz dolną 6 do tego samego oscylatora 10. Ramka 3, a tym samym końce swobodne sprężyn, jest połączona z elektrycznie poprzez pomocniczą cewkę 5 z przewodzącym (metalowym) korpusem 1, więc i z masą oscylatora. Cewka 5 ma możliwie małą indukcyjność i wykonana jest z cienkiego drutu miedzianego. Jeśli korpus jest izolatorem, to cewka 5 zamocowana jest do korpusu poprzez izolator, a elektrycznie połączona jest przewodem z masą oscylatora 10. Indukcyjnościami obwodu rezonansowego oscylatora są sprężyny 2 i 6 oraz cewka 5. Częstotliwość oscylacji oscylatora mierzy częstościomierz 12, a wynik pomiaru rejestruje procesor 13. Steruje on też pracą przełącznika 9 sprężyn 2 i 6. W efekcie zarejestrowane są zmiany częstotliwości oscylacji, gdy do oscylatora dołączona jest sprężyna górna lub dolna.

Częstotliwość ta zależy głównie od zmian indukcyjności sprężyn 2 i 6, a ta z kolei jest funkcją zmian ich długości. Obciążenie ciężarem powoduje wydłużenie sprężyny górnej 2 i skrócenie sprężyny dolnej 6, zmieniając odpowiednio częstotliwość oscylacji. Miara ciężaru jest proporcjonalna do różnicy zmian częstotliwości ze sprężyny górnej i dolnej. Pokazane to jest na rysunku fig. 3.

Częstotliwość jest rejestrowana, a mierzony ciężar Q = g m jest proporcjonalny do różnicy zmian częstotliwości pochodzących od obu sprężyn według wzoru:

PL 243804 Β1

-«,) gdzie:

g i m - przyspieszenie ziemskie i masa ważonego ciała, δ/g \ δ/d- względne zmiany częstotliwości z górnej i dolnej sprężyny, δfz- częstotliwość pochodząca od zakłóceń systematycznych, k- stała przyrządu.

Stabilność wskazań wagi obciążonej masą 3 gramów w ciągu 10 dni ilustruje fig. 3.

Możliwe jest wyeliminowanie pomocniczej cewki 5, jeśli czujniki zmiany długości sprężyn 2 i 6 są wykonane tak, jak przedstawia fig. 1B, czyli składają się z dwóch zespołów sprężyn, z których każdy ma dwie sprężyny połączone elektrycznie szeregowo, a mechanicznie równolegle. Wtedy ramka 3 posiada izolatory 14, które separują elektrycznie sprężyny górne od dolnych. Układ taki wymaga jednak większej precyzji wykonania, tak aby wszystkie sprężyny odkształcały się współpłaszczyznowo. Obecność rdzeni ferromagnetycznych 7 powoduje zwiększenie czułości, liniowości i indukcyjności czujników.

Claims (4)

1. Sposób pomiaru ciężaru obiektu, znamienny tym, że mierzonym ciężarem jednocześnie oddziałuje się na pionowe sprężyny śrubowe (2), (6) umieszczone współosiowo jedna nad drugą będące jednocześnie cewkami indukcyjnymi obwodu oscylatora LC, tworzącymi różnicowy układ pomiarowy, w którym górna sprężyna (2) rozciąga się a dolna (6) skraca, zmieniając w ten sposób ich indukcyjność i częstotliwość oscylacji w różnicowym układzie pomiarowym, a następnie z różnicy zmian częstotliwości pochodzących od sprężyny górnej i dolnej wyznacza się mierzoną siłę ciężkości Q według wzoru:

Q = _S ™ = * [(¾ + Sf.) - + li,)] = 4¾ - ) gdzie:

g i m - przyspieszenie ziemskie i masa ważonego ciała, δ/g i δ/d - względne zmiany częstotliwości z górnej i dolnej sprężyny, δfz- częstotliwość pochodząca od zakłóceń systematycznych, k- stała przyrządu.

2. Elektroniczne urządzenie do pomiaru ciężaru obiektu, znamienne tym, że składa się z pionowych sprężyn śrubowych (2) i (6), umieszczonych współosiowo jedna nad drugą, stanowiących cewki indukcyjne, połączonych wzajemnie mechanicznie i elektrycznie za pośrednictwem ramki (3) z wahliwą szalką (4) na mierzony ciężar zawieszoną osiowo do górnej części ramki, powodując rozciągnięcie górnej (2) i skrócenie dolnej (6) sprężyny, a drugie zewnętrzne końce sprężyn zamocowane do korpusu urządzenia, podłączone są przez przełącznik (9) do oscylującego obwodu rezonansowego LC (10) połączonego za pośrednictwem częstościomierza (12) z procesorowym układem sterująco - rejestrującym połączonym jednocześnie z przełącznikiem (9) realizującym naprzemienne podłączanie sprężyn do tego samego oscylatora (10), tworząc przetwornik: ciężar - różnica zmian częstotliwości ze sprężyny górnej (2) i dolnej (6), a sprężyny te połączone są za pośrednictwem ramki (3) i pomocniczej cewki (5) z elektryczną masą układu oscylatora.

3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że sprężyna śrubowa górna (2) i sprężyna śrubowa dolna (6), stanowiące cewki indukcyjne, wyposażone są w rdzenie ferromagnetyczne.

4. Urządzenie według zastrz. 2 albo 3, znamienne tym, że każda sprężyna śrubowa, górna (2) i dolna (6), składa się z dwóch sprężyn połączonych elektrycznie szeregowo, a mechanicznie równolegle, odizolowanych elektrycznie od ramki (3) w taki sposób, że jeden z ich zewnętrznych końców połączony jest z masą oscylatora, a drugi z obwodem rezonansowym.