Конструкции чувствительного элемента

Одной из наиболее широко используемых в мире конструкций динамографов является датчик типа «Loadtrol» (рис. 1.2.), который одевается на шток и зажимается между верхней траверсой и замками. Такие датчики выпускаются фирмами «Interface» и «Omega» (США), их используют в своих системах динамометрирования фирмы «Lufkin» и «eP-Solutions» (США).

Датчик «Loadtrol» собран на основе упругого элемента в форме отрезка трубы (1), двух компенсационных тензорезисторов (2) и двух нагрузочных тензорезисторов (3), образующих полную мостовую схему.

Тензорезисторы наклеены на наружную поверхность упругого элемента и закрыты сверху защитным кожухом. Имеются аналогичные датчики с магнитострикционным принципом действия, например датчик СДА-10ШГН фирмы «Интротест» (Екатеринбург).

Достоинство такой конструкции – полное облегание кольцевым упругим элементом штока, что дает возможность суммировать прилагаемую нагрузку по всем плоскостям – является одновременно ее большим недостатком. Для монтажа такого датчика требуется снятие замков со штока, данная операция очень трудоемкая и значительно затрудняет монтаж этого датчика.

Определенный недостаток конструкции «Loadtrol» - влияние на результат измерений несоосности прилагаемого усилия оси цилиндра. Причиной несоосности могут стать неровные поверхности траверс, замков и других элементов канатной подвески. Для минимизации такого влияния датчики комплектуются дополнительными центрирующими элементами – двумя устанавливаемыми друг над другом кольцами со сферическими поверхностями.

Еще один недостаток датчиков ранних разработок – пассивная схема. Датчик «Loadtrol» был разработан в 70-ых годах прошлого века, когда измерительные электронные схемы не могли быть выполнены настолько компактными, чтобы поместиться в одном корпусе с чувствительным элементом. Величина выходного аналогового сигнала зависит от сопротивления (и, соответственно, длины) подводящего кабеля, от температурного изменения сопротивления кабеля, кроме того, аналоговый сигнал подвержен воздействию электромагнитных помех.

 

Рис. 1.2. Упругий элемент датчика «Loadtrol»

 

Учитывая сказанное выше, можно остановиться на варианте размещения датчика на штоке между траверсами канатной подвески.

Самая распространенная конструкция датчика, устанавливаемого между

траверсами, сделана на основе П-образной структуры (рис. 1.3.). На этом принципе сделаны датчики усилия производства ГУПНН «Авитрон-Ойл» (Уфа), ООО «Микон» (Набережные Челны) и многие другие.

Такой датчик содержит два упругих элемента 1 и 2, соединенных перемычкой 3. Нагружающие (4 и 7) и опорные (5, 6, 8, 9) силовоспринимающие площадки каждого из упругих элементов развернуты друг относительно друга на 180° и образуют две трехточечные схемы нагружения, обеспечивающие самоустановку датчика. Размещенные на упругих элементах нагрузочный (11) и компенсационный (10) тензорезисторы собраны в тензометрический полумост.

Достоинство такой «вилки» - простота изготовления, она может быть

выполнена из проката П-образного профиля. Однако, как показал расчет распределения деформации в упругих элементах, такая конструкция достаточно чувствительна к несоосности и перекосам приложения нагрузки.

 

Рис. 1.3. Тензорезисторный датчик силы, патент РФ № 2145414

 

Известна еще одна разновидность такой «вилки», где упругие элементы

выполнены в виде «S»-образных балок изгиба (рис. 1.4.). Это динамограф ДПНТ20 производства НПФ «Интек» (Уфа).

Этой конструкции свойственны те же недостатки, что и предыдущей –

деформация тензорезисторов будет зависеть от способа приложения нагрузки. Кроме того, «S»-образные упругие элементы сложны в изготовлении, требуется наклейка тензорезисторов с внутренней стороны отверстия.

 

 

 

Рис. 1.4. Динамограф ДПН-Т20 НПФ «Интек» (Уфа)

 

Далее была предложена конструкция датчика подковообразной формы с тремя цилиндрическими упругими элементами (разработчики Ковшов В.Д., Емец С.В., Хакимьянов М.И., Светлакова С.В.), размещенными в вершинах

равностороннего треугольника (рис. 1.5.). Подковообразная форма корпуса в значительной степени облегчает монтаж по сравнению с датчиком «Loadtrol», в этом случае для его установки требуется лишь разжать траверсы при помощи домкрата либо штангодержателя без разборки канатной подвески.

 

 

Рис. 1.5. Датчик усилия ДДС-04

Датчик содержит три чувствительных элемента в форме цилиндрических

стержней, размещенных в вершинах равностороннего треугольника, что обеспечивает самоустановку датчика. Специальная схема наклейки тензорезисторов и способ их включения в измерительную цепь позволяют компенсировать несимметричность распределения общей нагрузки между чувствительными элементами, которая неизбежно появляется при установке

датчика между траверсами. Стержни чувствительных элементов имеют по торцам сферические поверхности, обеспечивая тем самым локализацию точек приложения усилия по оси цилиндра. Размещение чувствительных элементов в направляющих колодцах корпуса минимизирует появление изгибающих усилий.

Габаритные размеры чувствительных элементов рассчитаны исходя из необходимости получения максимально допустимой деформации в зоне наклейки тензорезисторов и, следовательно, максимальной чувствительности.

В рассматриваемой конструкции датчика каждый упругий элемент (рис. 1.6.) содержит по два нагрузочных и по два компенсационных тензорезистора.

 

Рис. 1.6. Упругий элемент с тензорезисторами

 

Конфигурация упругих элементов рассчитывалась с использованием современных методов компьютерного моделирования. Рассматривалось три варианта приложения нагрузки:

1) нагрузка приложена по продольной оси упругого элемента;

2) нагрузка параллельна продольной оси, точка приложения смещена

на 15% от диаметра стержня;

3)нагрузка приложена под углом 1º к продольной оси, точка приложения смещена на 8%.

Проведенные исследования позволили подобрать такую конфигурацию

упругих элементов, чтобы минимизировать влияние на результат измерений

несоосности и несимметричности приложения нагрузки, появление которых

неизбежно на практике.