2.6. Элементы конструкции и характеристика основных видов электронных весов

2.6.1. Элементы конструкции электронных весов

Современные электронные весы состоят из следующих основных элементов: грузоприемного устройства, электронного преобразователя, процессорного блока, индикатора, клавиатуры, принтера.

В настоящее время в конструкции электронных весов применяют следующие типы преобразователей: виброчастотный (струнный), пьезокварцевый и тензометрический.

Виброчастотный преобразователь. Виброчастотный преобразователь представляет собой конструктивный элемент грузоприемного устройства электронных весов, предназначенный для преобразования измеряемой величины (веса) в показания параметров электромеханического колебательного контура, частота колебаний которого несет в себе информацию об измеряемой величине (весе). В качестве примера рассмотрим принципиальную схему вибростержневого датчика силы (динамометра), представленную на рис. 2.16.

Рис. 2.16. Схема вибростержневого датчика силы (динамометра): 1 - упругий элемент; 2 - электромагнитный адаптер; 3 — усилитель и регистрирующий прибор; 4 — электромагнитный возбудитель колебаний; 5 — резонатор

Вибростержневой динамометр состоит из упругого элемента 1, воспринимающего измеряемую нагрузку, горизонтально расположенного резонатора (чувствительного элемента) 5, представляющего собой стержень прямоугольного поперечного сечения, обладающего поперечной жесткостью, электромагнитного адаптера 2, электромагнитного возбудителя колебаний 4, усилителя и регистрирующего прибора 3.

При колебании резонатора 5 в адаптере 2 наводится электродвижущая сила (ЭДС), частота которой равна частоте колебаний резонатора. Сигнал с адаптера 2 подается на вход усилителя 3, выход которого подключен к возбудителю 4. Таким образом, автоколебательная система замыкается.

Среди достоинств вибростержневого датчика силы можно выделить следующие:

- отсутствие принудительного предварительного натяжения чувствительного элемента (стержневого резонатора) позволяет существенно снизить в нем уровень рабочих напряжений и повысить чувствительность датчика;

- чувствительный элемент с «совершенной» заделкой концов обладает высокой износостойкостью, что является одним из основных условий обеспечения постоянства частоты автоколебательной системы;

- малые удлинения чувствительного элемента (так же, как и у струнного преобразователя) позволяют создавать приборы с упругим элементом высокой жесткости;

- прямоугольная форма поперечного сечения резонатора, у которого ширина в 10...20 раз больше толщины, обеспечивает хорошую направленность колебаний и устраняет явление двузначности частоты, встречающееся у струнных датчиков.

Практика эксплуатации виброчастотных датчиков показала, что они обеспечивают высокую точность измерения механических параметров и обладают высокой временной стабильностью характеристик.

Работа по созданию отечественных весовых виброчастотных датчиков осуществлялась по двум направлениям:

1) конструирование и исследование датчиков для весов, в конструкции которых используются различные механизмы, исключающие влияние на датчик изгибающих и крутящих моментов;

2) создание весовых датчиков, допускающих установку на них весовой платформы.

Оба направления имеют свои достоинства и недостатки. В первом случае может использоваться достаточно простой по конструкции датчик, не защищенный от влияния изгибающих и крутящих моментов, возникающих при различных положениях груза на платформе, поэтому передача нагрузки должна осуществляться через рычажный или другой механизм (например, механизм Роберваля), сохраняющий неизменным соосное приложение этой нагрузки к силоприемным элементам датчика.

Во втором случае весы не нуждаются в наличии дополнительного механизма, но конструкция самого датчика становится более сложной.

Как показала практика, второе направление более перспективно как с экономической, так и с метрологической точки зрения.

3) Датчик веса первых электронных торговых весов 1261ВН-ЗЦТ представлял собой упругую систему в форме углового рычага с опорой в виде двух шарниров. Одно плечо рычага соединено с резонатором, другое — с силоприемной головкой. На рис. 2.17 показан общий вид датчика 1832ПСЧ-5, его кинематическая схема и общий вид упругого элемента (УЭ).

Рис. 2.17. Датчик 1832ПСЧ-5: а — общий вид; б — кинематическая схема; в — упругий элемент

При приложении усилия на силоприемную головку шарниры поворачиваются, и в резонаторе возникают растягивающие напряжения.

Усилие от платформы на датчик веса передается через механизм Роберваля, о котором упоминалось выше.

На рис. 2.18 приведена схема вибростержневого датчика веса с плоским параллелограммным механизмом. Датчики этой группы построены по схеме «датчик—платформа», т.е. без дополнительных рычажных или каких-либо других устройств.

Достоинство такого вибростержневого датчика веса заключается в том, что он может быть соединен непосредственно с весовой платформой и, будучи мало чувствительным к положению груза на платформе, удовлетворяет важному требованию весовой техники о сохранении точности весов при перемещении взвешиваемого груза по всей площади грузоприемной платформы.

В настоящее время в России электронные весы с вибростержневыми весовыми датчиками нового поколения выпускают такие производители, как АО «Твес» (пос. Тулиновка, Тамбовская область).

Фирма выпускает весы 3... 60 кг разных наименований и модификаций, намечается выпуск товарных весов на 150 кг.

Рис. 2.18. Схема вибростержневого датчика веса с плоским параллелограммным механизмом:

1 — подвижный брус; 2, 4 — шарниры; 3 — упругая подвеска; 5 — неподвижный брус; б — кронштейны резонатора; 7 — резонатор

В ООО «Мехэлектрон-М» (г. Москва) на основе этих датчиков совместно с заводом «Прибордеталь» (г. Орехово-Зуево, Московская область) производят весы на нагрузки 3...600 кг.

Фирма «Штрих-М» (г. Москва) и завод «Электроприбор» (г. Воронеж) выпускают оригинальные торговые складные весы, а также весы с мощным интерфейсом, предоставляющим возможность связи весов с различными внешними устройствами (кассой, чекопечатающими механизмами и т. д.) и установки локальных сетей.

Фирмы «Мера», «Мера-Сервис» и некоторые другие также производят электронные весы с виброчастотными преобразователями на различные предельные значения взвешиваемых масс.

Упругий элемент сварен с двумя уголками и соединен с корпусом весов через планки. Горизонтально полки уголков с помощью резины (на рисунке не показано) отделяют датчик от соприкосновения с металлическим корпусом весов. Платформа весов крепится непосредственно к датчику через промежуточную деталь, что позволяет полностью устранить выход колебательной энергии во внешнюю систему и тем самым свести к минимуму возможность появления погрешностей от резонансов.

Подобные датчики на нагрузки 3, 6 и 15 кг входят в состав как электронных торговых весов ВР4900 и весовых комплексов, использующих эти весы, так и товарных весов (показывающих только массу) ВЭТ и ВЭТ-С (счетные, подсчитывающие по определенному алгоритму количество мелких деталей, фурнитуры и т. п.), выпускаемых ООО «Мехэлектрон-М».

Примерно такую же встройку датчиков (с небольшими изменениями) использует в выпускаемых ею торговых весах на те же нагрузки и фирма «Штрих-М». Весы отличаются современным дизайном и большим набором сервисных функций.

Для измерения массы в крупногабаритных и большегрузных весах в мировой практике применяется другая схема — установка под углами платформы четырех датчиков, что практически (с некоторыми оговорками) исключает возникновение моментов силы тяжести в системе создаваемых взвешиваемым грузом, что позволяет использовать весовые датчики достаточно простой конструкции.

Пьезокварцевый преобразователь. Пьезокварцевый преобразователь действует по принципу изменения частоты кварцевого кристалла, механически связанного с упругим элементом, под воздействием приложенной к нему силы. Пьезокварцевый преобразователь появился как компромисс, сочетающий в себе достоинства виброчастотных и тензорезисторных датчиков и лишенный их недостатков. Этот преобразователь имеет частотный выходной сигнал с большой полезной девиацией и высокую степень линейности характеристики преобразования. При этом процесс изготовление кварцевых пьезоэлементов и производство пьезокварцевых преобразователей (датчиков) на их основе по технологичности не уступает тензорезисторным преобразователям. Эти потенциальные преимущества позволили за одно десятилетие продвинуть данный тип датчика из небытия в положение одного из наиболее применяемых типов в весостроении.

С использованием пьезокварцевых преобразователей удается построить электронные весы, разрешающая способность которых в десять и более раз, а точность, как минимум, в три раза выше, чем аналогичные параметры весов, построенных на тензорезисторных преобразователях.

Простота использования и доступная цена делают эти весы популярными на предприятиях торговли и общественного питания. Подобными устройствами оснащены, например, весы московской фирмы «Мера».

В качестве примера пьезокварцевых преобразователей рассматриваемого класса можно привести пьезоэлемент силочувствительный ЭПКВ-10М (рис. 2.19), изготовляемый по ТУ 307-182.014-01 Специальным конструкторско-технологическим бюро электроники, приборостроения и автоматизации (ООО СКТБ ЭлПА). Элемент пьезокварцевый высокочастотный на частоту 10 МГц предназначен для работы в составе электронных весов и служит для преобразования деформаций сдвига по контуру в частотный сигнал. Используя этот пьезоэлемент, можно спроектировать весы с высокой точностью для взвешивания грузов массой от нескольких миллиграммов до сотен килограммов. Основные возможности: высокая разрешающая способность и точность, высокая долговременная стабильность кварца, широкий диапазон рабочих температур (-40... + 80°С), низкое энергопотребление, применим в прецизионном весовом оборудовании, низкая стоимость.

Рис. 2.19. Пьезоэлемент ЭПКВ-10М, мм: 1 — поверхность упругого элемента, на которую приклеивается силочувствительный пьезоэлемент ЭПКВ-10М; 2 — ЭПКВ-10М; 3 — поднутрение (свободная полость под датчиком); 4 — контактные площадки

ЭПКВ-ЮМ склеивается эпоксидным клеем с одним электродом на предварительно очищенную и обезжиренную поверхность, при этом центральная часть элемента должна быть свободна. После высыхания клея к контактным площадкам пьезоэлемента, если требуется, припаиваются два провода. Силочувствительная характеристика ЭПКВ-ЮМ в свободном состоянии практически линейна. Если элемент приклеен, то нелинейность силочувствитель-ной характеристики необходимо определять индивидуально. В силопередающем устройстве торговых весов применяется дифференциальная схема, т. е. работает пара силочувствительных пьезоэлементов ЭПКВ-ЮМ. На основе ЭПКВ-ЮМ разработаны и производятся несколько моделей электронных весов.

Тензометрический преобразователь. Действие тензометрического преобразователя основано на преобразовании деформации упругих элементов, в результате чего изменяется их электрическое сопротивление. В качестве упругого элемента выступают металлические изделия специальной конструкции — пластины, столбики, кольца и др. Преобразователем же служит высокочувствительная спираль из специального сплава, например константана, которая особым способом приклеивается к упругому элементу на участке, где деформация выражена наиболее явно.

Преобразование измеряемой силы тяжести (веса тела) в показания изменения электрического сопротивления происходит в чувствительном элементе тензорезистора вследствие наличия тензо-резистивного эффекта в проводниковых и полупроводниковых материалах, т.е. вследствие их свойства изменять свое электрическое сопротивление при деформировании.