Устройство для измерения массы
СОЮЗ СОВЕТСНИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
„„SU„, 11 25 А
4(51) G 01 G 16
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21 ) 3610329/24-10 (22) 27.06.83 (46 ) 23.01. 85. Нюл. у (72) E.È.Íîâèêîâ (71) Научно-исследовательский и конструкторский институт испытательных машин, приборов и средств измерения масс (53) 681.269 (088.8) (56) 1. Патент СНА Р 3799281, кл. G 01 G 3/14, опублик. 1975.
2 ° Авторское свидетельство СССР йо заявке 9 3585273,кл. G 01 0 3/16,. приоритет 28.04.83 (прототип). (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ
МАССЫ, содержащее корпус, в котором размещена грузоприемная платформа, опирающаяся через шарнирный упор на датчик массы,- выполненный в виде пьезокварцевой балки с закрепленными на корпусе расщепленными концами с возбуждающими электродами, подключенными к транзисторным автогенераторам, выходы которых соединены с входами суммирующего счетчика, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения надежности эа счет уменьшения вероятности отказа иэ-за отсутствия питания, в него введены усилители зарядов и размещенный между грузоприемной платформой и шарнирным упором пакет пьезокерамических пластин, на которых установлены токосъемные электроды, соединенные с входами усилителей зарядов выходы которых подключены к входам питания Е транзисторных автогенераторов и суммирующего счетчика.
1136025
Изобретение относится к весоизмерительной технике и может быть использовано как многоцелевое массоизмерительное устройство для прецизионного взвешивания различных предметов.
Известно весоизмерительное устрой- 5 ство, содержащее корпус, в котором размещена весоприемная платформа кинематически связанная с датчиком массы, подключенным.к источнику тока и индикатор (1J . 30
Недостатками устройства являются значительная масса, сравнительно невысокая точность и малый ресурс работы, обусловленные применением тензорезисторных силоизмерительных дат- l5 чиков с аналого-цифровыми преобразователями, электромагнитными компенсаторами и силовым блоком, которые имеют невысокую точность, значительные массу и габариты, малый ;щ ресурс работы и высокую стоимость.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения массы, содержащее корпус, в котором размещена грузоприемная платформа, опирающаяся через шарнирный упор на датчик массы, выполненный в виде пьезокварцевой балки с закренленны; ми на корпусе расщепленными концами с возбуждающими электродами, подключенными к транзисторным автогенераторам, выходы которых соединены с входами суммирующего счетчика $2) .
Недостаток известного устройства заключается в том, что при использовании встроенного источника пита- Ç5 ния,, ввиду ограниченного ресурса госледнего, в целом снижается надежность уетройства, цель изсфретения — повышение на дежности усч ройства за счет уменьше- 40 ния вероятности отказа из-за отсутствия питания.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения массы, содержащее корпус, в котором размещена.грузоприемная.платформа, опирающаяся через шарнирный упор на датчик массы, выполненный в виде пьезокварцевой балки с закрепленными на корпусе расщепленными концами с возбуждающими электродами, подключенными к транзисторным автогенераторам, выходы которых соединены с входами суммирующего счетчика, введены усилители зарядов и размещенный между грузоприемной.платформой и шарнирным упором пакет пьезокерамических пластин, на которых установлены токосъемные электроды, соединенные с входами усилителей зарядов, выходы которых подключены к входам питания 60 транзисторных автогенераторов и суммирующего счетчика.
На фиг.1 показана функциональная схема устройства," на фиг.2 - принципиальная схема усилителя заряда.
На основании 1 установлен кор". пус 2, в котором размещена грузоприемная платформа 3 и пакет пьезокерамических пластин 4 с токосъемными электродами 5.
Иежду корпусом 2.и грузоприемной платформой 3 размещены направляющие б, выполненные в виде LlapHKoB или уплотняющего кольца.
Пакет пьезокерамических пластин 4
1 установлен, на упорах .7 (верхнем и нижним), между которыми помещен шарик 8, служащий для механической развязки груэоприемной платформы 3 и датчика массы, выполненного в виде расщепленной пьезокварцевой балки 9.
Нижний упор 7 Установлен на средней (сплошной) части расщепленной пьезокварцевой балки 9, имеющей концы-резонаторы 10, на которых нанесены токосъемные возбуждающие электроды 11, создающие в подэлектродных зонах 12 локализованные зоны пьезоэлектрических колебаний.
Внутри корпуса 2 размещены усилитель 13 заряда, включающий усилители 14 постоянного тока, имеющие высокий коэффициент усиления (более
20000), конденсатор 15, пороговый элемент 16 и резистор 17, транзисторные автогенераторы 18, и суммирующий счетчик 19.
Суммирующий счетчик 19 располагается таким образом, чтобы индикатор был доступен для визуального отсче- . та. Груз 20 размещается на платформе 3„„
На фиг.1 обозначено ЙИ вЂ” направ1 ление местной вертикали, ОΠ— направление оси чувствительности дат;чика массы (расщепленная пьезокварцевая балкаI.
Работа устройства для измерения массы основана на прямом и обратном пьезоэлектрических эффектах и силочастотном эффекте.
При отсутствии груза 20 устройство не работает. При установке груза 20 на весоприемную платформу 3 возникает усилие в результате действия второго закона Ньютона
F = mg где F - усилие, кг; ш — масса груза; кг; — ускорение гравитационного поля Земли.
Усилие F, прикладываемое к пьезокерамическим пластинам 4 в силу действия прямого пьезоэлектрического эффекта, вызывает в пьезокерамических пластинах 4 появление электрического поля, создающего на токоаеъмных электродах 5 электрическое напряжение, подаваемое на входы усилителей 13 заряда, интегрирующих электрические заряды, тем самьм накапли1136025 коэффициент, учитывающий распределение механического усилия.
ВНИИПИ Заказ 10273/30 Тираж 703" подписное филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,4 вая суммарный заряд, достаточный для .питания транзисторных автогенераторов 18 и суммирующего счетчика 19, После достижения номинального уровня заряда, достаточного для пи.тания указанных электропотребляющих элементов, возбуждаются транзисторные автогенераторы 18, работающие на транзисторах с микропотреблением, и суммирующий счетчик 19.
Автогенераторы 18 возбуждают (в силу действия ббратного пьезоэлектрического эффекта} подэлектродные зоны концов-резонаторов 10, синхронизирующие частоты транзисторных автогенераторов 18. 15
В силу действия сило-частотного эффекта усилие вызывает в верхних концах-резонаторах 10 механическое напряжение растяжения, а в нижних концах-резонаторах 10 сжатие, что приводит к уменьшению частоты пьезоэлектрических колебаний в верхних концах-резонаторах 10 и увеличению частоты пьезоэлектрических колебаний в нижних концах-резонатора 10
2 о верх х вер» 7. верх
F f
af К ни к l нчяс 30 где af — изменение частоты колеВерх баний в верхнем концерезонаторе;
К вЂ” силочастотный коэффици1 ент, 35 — частота пьезоэлектричесо ких колебаний конца-резонатора без нагрузки, D — диаметр подэлектронной верх эоны верхнего конца-ре- 4О эонатора, коэффициент, учитывающий ,распределение механического усилия, вг — изменение частоты колебанма ний в нижнем конце-резонаторе
p — диаметр подэлектронной иж зоны нижнего конца-резонатора, Электрические сигналы с верхнего конца-резонатора 10 и нижнего конца-резонатора 10 подаются на транзисторные генераторы 18, где пронзводится вычитание частот колебаний
-(f +gf 1 = -25f
О вер» о ни« где "2 — суммарное отклонение частоты верхнего и нижнего концов-резонаторов.
Электрические сигналы с каждого транзисторного автогенератора 18 с частотами -26f подаются на соответствующие входы суммирующего счетчика 19, в котором производится суммирование, подсчет частоты и индикация показаний в виде значения массы груза 20.
Преобразоваиие величины массы груза 20 с помощью расщепленной пьезокварцевой балки 9 имеет прямопропорциональную зависимость и поэтоМУ величина измеряемой массы груза 20 легко индицируется в единицах массы.
Работа устройства при однократном нагружении происходит в течение времени генерации питающего электрического поля, создаваемого пакетом пьезоэлектрических пластин 4 (в течении нескольких секунд)..
Для повторного взвешивания груза 20 необходимо снять его и повторить цикл нагружения (или создать грузом 20 вибрацию .
Благодаря наличию в устройстве пакета пьезокерамических пластин, усилителей заряда, пьезокварцевого преобразователя усилий в частоту, применению интегральных микроэлементов, имеющих незначительное потребление, устройство не нуждается в специальном электропитании и обеспечивает высокую точность измерения, имеет .небольшую массу и повышенную надежность работы;
