раздел 2

2. Анализ и выбор метода измерения заданного параметра

технологического процесса (операции)

2.1. Анализ существующих методов и технических средств измерения массы.

Общие положения

Выбор соответствующего метода взвешивания позволяет исключить влияние погрешности весов на результат взвешивания, особенно при применении рычажных весов. Достижимая точность взвешивания в этом случае в основном определяется чувствительностью и вариацией. Для достижения малых погрешностей должны быть также учтены погрешности гирь и влияние аэродинамической подъемной силы.

При технических взвешиваниях или взвешиваниях в процессе товарооборота погрешность аэродинамической подъемной силы обычно не учитывают, так как погрешности самих весов, как правило, значительно выше. Порядок относительной погрешности, обусловленный пренебрежением аэродинамической подъемной силой, может быть показан на следующем примере:

В зависимости от целей взвешивания и допустимых погрешностей применяют различные методы: пропорциональный, метод замещения,

метод двойного взвешивания. Последний применим только в равноплечих рычажных весах.

Магнитоупругие датчики веса.

Магнитоупругий эффект обусловливает в некоторых материалах

(например, пермаллое), подвергаемых нагрузке, изменение их магнитной восприимчивости. Такой материал используют в качестве сердечника обмотки, полное сопротивление которой снижается при увеличении нагрузки вследствие уменьшения магнитной восприимчивости.

УО «ВГТУ» КП.012 1-53 01 01-05 ПЗ

Подобные чувствительные элементы обладают относительно высокой выходной мощностью, что позволяет использовать их выходной сигнал без усиления. Однако малый диапазон линейности характеристики недостаточен для проведения точных измерений.

Индуктивные датчики веса.

В индуктивных датчиках веса изменение индуктивности обмотки вызывается смещением железного сердечника под действием измеряемого усилия.

Особое значение в области весоизмерительной техники имеют следующие устройства:

а) с двумя или четырьмя изменяемыми индуктивностями (сдвоенный дроссель с втяжным или поперечным якорем);

б) с изменяющейся взаимоиндуктивностью (дифференциальный трансформатор с втяжным якорем).

По сравнению с тензометрическими датчиками индуктивные датчики веса обладают большим выходным напряжением, меньшей чувствительностью к воздействию температуры и влажности и большими перемещениями якоря. Эти свойства позволяют использовать мягкие пружины, что в свою очередь обеспечивает возможность измерения малых усилий. Однако точность индуктивных датчиков веса ниже точности тензометрических датчиков.

Датчики веса с устройством электромагнитной силовой компенсации.

В этом устройстве чаша весов соединена рычагом с компенсационной катушкой, которая находится в поле постоянного магнита. Током в обмотке этой катушки управляет датчик положения, связанный с усилителем. Изменение тока в обмотке компенсационной катушки происходит до момента достижения равновесия. При изменении нагрузки в чаше весов изменяется соответственно сила тока в обмотке, являющаяся мерой веса груза.

Весоизмерительные датчики с вибрирующей струной.

Принцип действия предусматривает возбуждение вибрации постоянной частоты предварительно натянутой струны при помощи электромагнитной

Лист

УО «ВГТУ» КП.012 1-53 01 01-05 ПЗ

системы и передачу на струну усилия, развиваемого находящимся в грузовой чаше весов грузов при помощи рычагов.

Это усилие увеличивает натяжение струны и, как следствие, частоту ее вибрации. Изменение частоты является мерой определяемой массы груза.

Ячейка выдает дискретный сигнал. С помощью таких датчиков можно достигать высокой точности измерения веса.

Гидравлические датчики веса.

Сила определяется путем измерения давления, развиваемого нагрузкой на поршне или мембране гидравлической системы. Давление жидкости измеряется манометром. Конструкция вывода с резиновой мембраной исключает трение.

Кроме того, датчики этого типа допускают отклонения направления действующего усилия до 4° от вертикали без дополнительных погрешностей.

Прогиб резиновой мембраны при наибольшей нагрузке составляет 1-3 мм.

Погрешность оценивается в ±0,2 % в пределах взвешивания. Наибольшие пределы взвешивания от 50 кг до 500 т.

Датчики веса с применением ионизационных методов измерения.

Взвешивание с применением радиоактивных изотопов можно осуществлять двумя методами: методом просвечивания и методом рассеяния.

При использовании метода просвечивания измеряют поглощение излучения взвешиваемым грузом. Применение жесткого излучения позволяет считать значение массового коэффициента ослабления независимым от химического состава материала. При использовании метода рассеяния прямое излучение экранируется. Боковое излучение рассеивается материалом и направляется в детектор. Бесконтактность метода взвешивания позволяет использовать весы этого типа в качестве транспортерных или автомобильных весов, работающих в тяжелых внешних условиях, при которых весы с обычными измерительными системами быстро изнашиваются. Диапазоны погрешностей могут достигать несколько процентов.

с тензорезисторами.

Лист

УО «ВГТУ» КП.012 1-53 01 01-05 ПЗ

Датчики веса с тензорезисторами относятся к наиболее точным силоизмерительным устройствам, применяемыми для взвешивания. Наряду с тензорезисторами в датчики весов встроены сопротивления, предназначенные для настройки мостовой схемы, что обеспечивает взаимозаменяемость датчиков, а также возможность при необходимости включать в общую схему несколько датчиков. В характеристике тензометрического датчика веса указывается величина выходного напряжения в милливольтах при номинальной нагрузке, отнесенную к 1 В напряжения питания. Обычно эта величина составляет 1-2 мВ/В. Перегрузка больше номинальной на 150 % не вызывает смещения нуля. При перегрузках до 500 % номинального значения механические повреждения также не возникают.

Тензометрические датчики служат для измерения деформаций и механических напряжений в деталях машин и механизмов. Они могут также использоваться для измерения других механических величин (давления,

вибрации, ускорения и др.), которые предварительно преобразуются в деформацию. Работа тензодатчиков основана на изменении активного сопротивления материала при его механической деформации. В качестве материала тензодатчиков используются проводники (в виде проволоки, фольги или пленки) и полупроводники. Выходной сигнал формируется за счет изменения активного сопротивления. Поэтому их называют еще тензорезисторами.

Основным элементом тензодатчика является тензорезистор. Они наилучшим образом удовлетворяют критерию стоимость-эффективность.

Основными характеристиками этих датчиков являются:

1)Температурная и временная стабильность.

2)Погрешность измерения деформации, которая не должна превышать Δ=

1мкм/м в диапазоне ±5% (±50000мкм/м).

3)Длина и ширина датчика должны быть достаточно малы для адекватного измерения деформации в точке.

Лист

УО «ВГТУ» КП.012 1-53 01 01-05 ПЗ

4)Инерционность датчика должна быть мала для регистрации высоких частот динамических процессов.

5)Линейность отклика датчика в пределах всего диапазона.

6)Экономичность датчика и сопряженных с ним устройств.

Одним из главного недостатка тензодатчиков является пассивный выход.

Тензорезисторный мост связан с источником питания и измерительной схемой длинным кабелем, что делает датчик восприимчивым к влиянию всевозможных электромагнитных наводок и помех. Источниками таких возмущений являются мощные электродвигатели, сварочные агрегаты и преобразователи частоты.

Тензорезисторы бывают следующих видов: проволочные, фольговые,

пленочные, полупроводниковые.

Тензорезисторы в зависимости от типа чувствительного материала делятся на проволочные, пленочные и фольговые. Наибольшее распространение получили фольговые датчики (рисунок 2.1), в которых тензоматериал 1

наносится на подложку 3 методом травления как в печатных платах.

Рисунок 2.1 – Фольговый тензорезистор

Для защиты от внешней среды датчик покрывается защитным слоем 4.

Выводы 2 служат для подключения внешней измерительной схемы.

Лист

УО «ВГТУ» КП.012 1-53 01 01-05 ПЗ

Под действием груза или приложенной силы возникает деформация корпуса и тензористора, вызывая изменения сопротивления. Большая площадь тензометрических проводников обеспечивает хорошую чувствительность измерений.

Материалом для измерения деформации служит манганин или константан.

Отличие пленочных датчиков (рисунок 1.2) состоит в используемым полупроводниковом чувствительном элементе М.

Поэтому пленочные тензорезисторы не применяют в условиях резкого колебания температур, т.к. тепловые процессы внутри полупроводника приводят к нелинейности выходного сопротивления.

Рисунок 1.2 – Пленочный тензорезистор

Измерительным элементом проволочных датчиков силы и веса (рисунок

1.3) являются несколько параллельно соединённых тензочувствительных проводников 1. Параллельное соединение повышает чувствительность измерений. Гибкая подложка 3 подвергается внешней деформации, проводники залиты защитным слоем цемента или клея 4. К внешнему оборудованию датчик подключается через выводы 2.

Лист

УО «ВГТУ» КП.012 1-53 01 01-05 ПЗ

2.2. Обоснование и выбор метода измерения

В данной работе, в качестве чувствительного элемента, выбираем тензорезистор, исходя из его характеристик. Недостатком тензорезисторов является большая термочувствительность, но в данном технологическом процессе при соблюдении норм и правил технологического процесса она не вызовет существенной погрешности.

Достоинствами тензорезисторов являются:

•Маленькая масса и размеры;

•высокая точность;

•хорошая стойкость к внешним воздействиям;

•линейность тензохарактеристики;

•высокая тензочувствительность.

Лист

УО «ВГТУ» КП.012 1-53 01 01-05 ПЗ