Методы определения зависимости показаний силоизмерительных устройств от вектора приложения нагрузки Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАВИСИМОСТИ ПОКАЗАНИЙ СИЛОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ОТ ВЕКТОРА ПРИЛОЖЕНИЯ НАГРУЗКИ

Александр Анатольевич Коллер

Федеральное государственное унитарное предприятие «Сибирский государственный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт метрологии», 630004, Россия, г. Новосибирск, пр. Димитрова, 4, инженер отдела «Масса. Сила», тел. (383)210-12-06, e-mail: koller@sniim.nsk.ru

Анатолий Иванович Каленицкий

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул.

Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры «Астрономии и гравиметрии», тел. (383)361-07-31

Виктор Яковлевич Черепанов

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул.

Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры «Метрология, стандартизация и сертификация», тел. (383)361-07-45, е-mail: cherepanov73@mail.ru

В статье рассмотрено влияние векторного характера измеряемой величины на результаты измерений силы и массы, а также методы подтверждения метрологических характеристик силоизмерительных устройств при различных векторах приложения

испытательной нагрузки.

Ключевые слова: измерения массы и силы, поверочная схема, силовопроизводящие установки, тензорезисторные датчики.

METHODS OF DEFINITION OF DEPENDENCE OF INDICATIONS FORCE MEASURING DEVICES FROM THE VECTOR OF THE LOADING APPENDIX

Alexander A. Koller

Siberian State Scientific Research Institute of Metrology (FSUE “SNIIM”), 630004, Russia, Novosibirsk, pr. Dimitrova, 4, engineer of department «mass and force measuring», tel. (383)210-12-06, e-mail: koller@sniim.nsk.ru

Anatoliy I. Kalenickiy

Siberian State Academy of Geodesy (SSGA), 630108, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo, doctor of engineering science, professor of chair « Astronomies and gravimetri», tel. (383)361-07-31

Viktor Ya. Cherepanov

Siberian State Academy of Geodesy (SSGA), 630108, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo, doctor of engineering science, professor of chair «Metrology, standardization and certification», tel. (383)361-07-45, е-mail: cherepanov73@mail.ru

The article describes vector character of the measured size on results of measurements of force and weight, and methods of acknowledgement of metrological characteristics force measuring devices at various vectors of the appendix of test loading.

Key words: mass and force measuring, verification schedule, force measuring installations, load cells.

Принцип действия большинства современных средств измерений силы и массы основан на преобразовании деформации упругих элементов, возникающей под действием силы тяжести взвешиваемого груза, в аналоговый или цифровой электрический сигнал, изменяющийся пропорционально нагрузке. Как правило, в качестве измерительных элементов в таких средствах измерения применяются серийно выпускаемые силоизмерительные устройства (тензорезисторные датчики).

Измерительная часть таких устройств представляет собой цилиндрический упругий элемент с наклеенными на него тензорезисторами. Так, например, в составе большегрузных (автомобильных и железнодорожных) весов, промышленных дозаторов и силоизмерительных систем, чаще всего применяются осе симметричные тензорезисторные датчики с наибольшими пределами измерений 5-100 тонн. Такие датчики градуируются, испытываются и поверяются с применением силозадающих машин типа ОСМ 2-200-10, МЭС 500У, а также иных силовоспроизводящих систем в соответствии с Государственной поверочной схемой для средств измерений силы [1]. Силовопроизводящие системы могут представлять собой установки непосредственного нагружения, силоумножающие (рычажные) установки, а также системы со встроенным эталонным датчиком (датчиками), показания которых сличаются с показаниями испытываемого силоизмерительного устройства. При этом рабочие пространства всех типов силозадающих машин не имеют существенных различий. На рисунке 1 представлен реверс силозадающей машины, предназначенный для работы с переносными силоизмерительными устройствами, работающими по принципу сжатия. Реверс составляют две тяги, верхняя и нижняя, каждая из которых, в свою очередь, состоит из двух балок (траверс) и двух колонн. Испытываемый датчик или динамометр устанавливается на поверхность нижней балки верхней тяги и затем на него накладывается верхняя балка нижней тяги.

Таким образом, выстраивается силопередающая цепь системы. На указанных рабочих поверхностях нанесена концентрическая разметка, позволяющая максимально точно совместить ось испытываемого силоизмерительного устройства с осью нагрузки в силовоспроизводящей системе. Однако, точность совмещения вектора приложения нагрузки с осью симметрии датчика или динамометра на данный момент является одной проблем передачи единицы силы. Задачей устройства для измерений силы (прилагаемой нагрузки) является преобразование векторной величины (силы) в скалярную величину, то есть такую, которая однозначно описывается одним параметром. Измерения силы, строго говоря, представляют собой измерения суммарных значений полей механических напряжений.

При воспроизведении нагрузок в силозадающих машинах мы сталкиваемся с двумя аспектами векторного характера измеряемой (воспроизводимой) величины. Во-первых, отклонение опорной плоскости балки (траверсы) силозадающей машины, на которой установлен датчик, от горизонтального положения на угол а приводит к появлению эксцентриситета е, зависящего от геометрических параметров силопередающего узла и угла а, и поперечной

составляющей нагрузки P sin а, направленной в сторону наклона опорной плоскости. Это приводит к изменению характеристики преобразования тензорезисторного датчика, кроме того, приложенная нагрузка P, действующая на датчик, уменьшается на величину P(1 - cos а). Описанное явление можно было бы значительно уменьшить при использовании тяг, состоящих из трех колонн, закрепленных в балках с поверхностью в форме многогранника или круга. Однако такая конструкция крайне усложнила бы установку испытываемых силоизмерительных устройств в рабочее пространство.

Рис. 1. Конструкция реверса Рис. 2. Эталонный силоизмерительный

силовоспроизводящей установки блок установки МЭС 5000У3

Во-вторых, остается открытым вопрос о проверке сохранности метрологических характеристик силоизмерительных устройств при невертикальном вводе вектора нагрузки. В ходе эксплуатации узлы встройки датчика могут изменять свое положение друг относительно друга из-за изменения линейных размеров элементов конструкции (например, вследствие влияния температуры), движения грунта и смешения фундамента, боковых ударов. Изготовители датчиков и других силоизмерительных устройств часто указывают предельные значения углов отклонения производимых ими устройств от вертикальной оси, при которых погрешность данных устройств остается в заданных пределах. Однако, при стандартной конструкции реверса силовоспроизводящих систем объективного и соответствующего действующим поверочным схемам метода проверки такой характеристики не существует.

Специалистами ФГУП «СНИИМ» было предложено использовать метод, аналогичный методу сличения измеряемой силы с группой параллельно установленных динамометров (чаще всего в количестве трех штук), применяемый для поверки и калибровки средств измерений, а также при изготовлении силозадающих установок.

Схема из трех параллельно установленных динамометров (тензорезисторных датчиков) является классической и теория такой схемы подробно описана, в частности в [2], [3]. Однако результатов

экспериментальных исследований в технической литературе немного, что объясняется небольшим количеством средств измерений, изготавливаемых с использованием этой схемы, «штучностью» таких разработок.

При использовании метода измерения силы группой параллельно установленных динамометров (датчиков) возникает методическая погрешность вызываемая следующими факторами: несовпадением направления действия вектора силы с осью чувствительности динамометра (датчика), неодинаковой жесткостью, неровностями и деформацией опорных и промежуточных плит; несимметричностью установки динамометров относительно оси действия нагружающего устройства.

Способы оценки точности метода включают:

- На малых нагрузках сравнивают погрешность передачи силы с помощью группы динамометров (датчиков) некоторым образцовым средствам воспроизведения силы. Полученный результат экстраполируется на большие нагрузки,

- Для одних и тех же измерений используются группы динамометров различного принципа действия с последующим сравнением результатов,

- Сравниваются результаты при различных условиях передачи силы (перестановка динамометров в группе, изменение высоты динамометров с помощью прокладок и т. п.)

- Создаются условия для применения динамометров, тождественных условиям их градуировки на образцовых машинах (исследуются и исключаются факторы, отличающие использование динамометров в группе и раздельно). Производится контроль составляющих деформации упругих элементов динамометров с целью определения отклонения векторов сил от осей динамометров.

Приведенные специалистами ФГУП «СНИИМ» исследования подтверждают выводы [2] и [4], о возможности исключения всех факторов, отличающих метод измерений силы с помощью трех параллельно

установленных динамометров (датчиков) от измерения силы одним

динамометром (датчиком) [5]. В ФГУП «СНИИМ» разрабатываются и

изготавливаются силозадающие машины типа МЭС-5000, МЭС-500,

предназначенные для поверки, калибровки и исследования метрологических характеристик динамометров и силоизмерительных датчиков, а так же крановых весов. Для измерения силы в некоторых диапазонах используется схема из трех параллельно установленных тензорезисторных датчиков. Силоизмерительный блок такой установки представлен на рис. 2.

Аналогично предлагается исследовать метрологические характеристики силоизмерительных устройств при несовпадении вектора приложения нагрузки с осью устройства. Группа из трех (либо шести) устройств устанавливается параллельно в рабочем пространстве силовоспроизводящей системы. На

рабочую поверхность нижней балки верхней тяги накладывается силовводящий блок, включающий в себя узлы встройки датчиков, расположенные на равном друг от друга расстоянии в вершинах равностороннего треугольника. Датчики устанавливаются в узлы встройки и затем на них накладывается аналогичный верхний силовводящий блок, на который, в свою очередь, накладывается верхняя балка нижней тяги. Используя блоки с различными расстояниями между узлами встройки датчиков, либо блоки, позволяющие изменять это расстояние в процессе испытаний, можно задавать различные углы наклона испытываемых датчиков. Задаваемый угол рассчитывается из геометрических размеров силовводящих блоков и испытываемых силоизмерительных устройств. Таким образом, будут воспроизводиться различные условия работы датчика в реальных сило- и весоизмерительных системах с использованием средств передачи единицы величины в соответствии с поверочными схемами и описаниями типа на данные силоизмерительные устройства. Данный метод позволит при испытаниях в целях утверждения типа проверить задаваемые изготовителем предельные углы отклонения вектора прилагаемой нагрузки

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. ГОСТ Р 8.663-2009 Государственная система обеспечения единства измерений. Государственная поверочная схема для средств измерений силы

2. Чаленко Н.С. Методы и средства измерений силы. - М.: Изд-во стандартов. - 1991. - С. 172.

3. Вишенков А.С. Методы и средства аттестации, поверки и испытаний силоизмерительных приборов. - М.: Изд-во стандартов. - 1985. - С. 181.

4. Талаев Г.А. Методическая погрешность измерения силы группой параллельно нагруженных датчиков // Измерительная техника. - 1980. - № 4. - С. 26 - 29.

5. Цибин И.Г. Передача единицы силы методом сличения с группой параллельно установленных динамометров / И.Г. Цибин, В.Л. Макурин, С. И. Пискунов, А.С. Ивлев, А.А. Коллер // Материалы 4-ой международной конференции «Информационные технологии, системы и приборы в АПК. АГРОИНФО-2009». - Новосибирск, 2009.

© А.А. Коллер, А.И. Каленицкий, В.Я. Черепанов, 2012