RU2517961C1 - Force-measuring sensor - Google Patents
Force-measuring sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2517961C1 RU2517961C1 RU2013100689/28A RU2013100689A RU2517961C1 RU 2517961 C1 RU2517961 C1 RU 2517961C1 RU 2013100689/28 A RU2013100689/28 A RU 2013100689/28A RU 2013100689 A RU2013100689 A RU 2013100689A RU 2517961 C1 RU2517961 C1 RU 2517961C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- washer
- winding
- force
- cylindrical surface
- measuring
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
Abstract
Description
Предполагаемое изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для постоянного измерения усилий в различных резьбовых соединениях строительных элементов и конструкций. Может быть применено на электростанциях (ГЭС, ТЭС, АЭС и др.), являющихся промышленно опасными объектами и имеющих важное стратегическое значение.The alleged invention relates to measuring technique and can be used for continuous measurement of forces in various threaded joints of building elements and structures. It can be used at power plants (hydroelectric power stations, thermal power plants, nuclear power plants, etc.), which are industrially hazardous facilities and of great strategic importance.
Известен «Датчик силы тензометрический» по патенту на полезную модель RU 78311 от 20.11.2008 г., МПК G01L 1/22 - [1], содержащий выполненные за одно целое в форме тела вращения кольцевой опорный элемент, расположенный внутри него силовводящий цилиндрический элемент и соединяющий их упругий элемент в виде кольцевой мембраны, на внутреннюю поверхность которой наклеены четыре тензорезистора, соединенные в электрический мост с токоподводящими и измерительными выводами. В полости опорного элемента расположена примыкающая к тензорезисторам двусторонняя печатная плата в виде выполненной из электроизоляционного материала кольцеобразной пластины, на внутреннюю поверхность которой нанесены электропроводящая полоска в виде разрезного кольца с зазором между его концами и электрически соединенная с ней контактная площадка, диаметрально расположенная относительно указанного зазора, а на внешнюю поверхность указанной кольцеобразной пластины нанесены параллельно электропроводящей полоске в виде разрезного кольца равные с ней по ширине четыре дугообразные электропроводящие полоски с расположенными на их концах контактными площадками, к которым подсоединены выводы тензорезисторов.The well-known "Strain gauge force sensor" according to the patent for utility model RU 78311 dated 11/20/2008, IPC G01L 1/22 - [1], comprising an annular supporting element located inside it in the form of a body of revolution, located inside it is a power-introducing cylindrical element and the elastic element connecting them in the form of an annular membrane, on the inner surface of which four strain gages are glued, connected to an electric bridge with current-carrying and measuring leads. In the cavity of the support element there is a double-sided printed circuit board adjacent to the strain gauges in the form of an annular plate made of electrical insulation material, on the inner surface of which an electrically conductive strip is applied in the form of a split ring with a gap between its ends and a contact pad electrically connected to it, diametrically located relative to the specified gap, and on the outer surface of the specified ring-shaped plate applied parallel to the conductive strip in the form of a split th rings equal in width with it four arcuate conductive strips located at their ends contact pads to which terminals are connected strain gages.
Недостатком известного аналога [1] является то, что в нем нет компенсации измерений неравномерности распределения механических напряжений (деформаций), а сама конструкция допускает неравномерность нагружения расположенных в нем тензорезисторов, что приведет к большим погрешностям измерений.A disadvantage of the known analogue [1] is that it does not compensate for measurements of the uneven distribution of mechanical stresses (deformations), and the design itself allows for uneven loading of the strain gauges located in it, which will lead to large measurement errors.
Известен контроль усилия затяжки резьбового соединения измерением радиальной деформации элемента, например гайки, при ее затяжке (завинчивании) по «Способу контроля усилия затяжки резьбовых соединений», патент RU 2401423 от 10.10.2010 г., МПК G01L 5/24 - [2], согласно которому резьбовое соединение подвергают испытанию, для чего фиксируют болт, далее нагружают болт осевой силой и фиксируют величину контролируемого параметра, соответствующую усилию затяжки при нагружении болта полной рабочей нагрузкой. Затяжку резьбового соединения при сборке изделий выполняют до достижения этой величины контролируемого параметра. Контроль усилия затяжки при испытании осуществляют по радиальной деформации гайки выборочных образцов из партии резьбовых соединений, которую фиксируют с помощью датчика радиальной деформации. Затяжку последующих резьбовых соединений этой партии при сборке изделий выполняют до достижения радиальной деформации гайки величины, равной величине, полученной при испытании выборочных образцов в момент полного нагружения болта, соответствующего заданному напряжению затяжки. В качестве устройства для осевого нагружения и измерительного прибора для регистрации осевого нагружения используют разрывную испытательную машину. Датчик измерения радиальной деформации устанавливают при испытании образцов и при сборке резьбовых соединений в непосредственной близости от опорного торца гайки.Known control of the tightening force of a threaded connection by measuring the radial deformation of an element, such as a nut, when it is tightened (screwing) according to the "Method of controlling the tightening force of threaded connections", patent RU 2401423 from 10.10.2010, IPC
Недостатком известного аналога [2] является то, что контролируют не каждое изделие, а только выборочные образцы из партии резьбовых соединений и проводят испытания в лабораторных условиях, которые сильно отличаются от условий эксплуатации. При этом не осуществляют постоянный контроль каждого резьбового соединения, от которых сильно зависит вероятность аварийных ситуаций в строительных элементах и конструкциях сооружений, являющихся промышленно опасными объектами и имеющих важное стратегическое значение.A disadvantage of the known analogue [2] is that not every product is monitored, but only sample samples from a batch of threaded joints and are tested in laboratory conditions, which are very different from operating conditions. At the same time, they do not constantly monitor each threaded connection, on which the probability of emergency situations in building elements and structures of structures that are industrially hazardous objects and have important strategic importance greatly depends.
Известен «Датчик радиальной деформации» по патенту на полезную модель RU 90893 от 20.01.2010 г., МПК G01B 7/16 - [3], содержащий упругое кольцо, опору для измеряемого изделия, закрепленную на внутренней поверхности упругого кольца, регулировочный винт для крепления датчика на измеряемом изделии и установки нуля измерительной системы, тензорезисторы, наклеенные напротив друг друга на внутренней и внешней поверхностях упругого кольца. Упругое кольцо выполнено с переменным сечением, при этом опора для измеряемого изделия и регулировочный винт расположены друг напротив друга в местах наибольшего поперечного сечения упругого кольца, а тензорезисторы наклеены на поверхности в местах с наименьшим сечением упругого кольца. При этом упругое кольцо может быть выполнено литьем, а датчик содержать две пары тензорезисторов, установленных на упругом кольце друг напротив друга в местах наименьшего сечения, а опора для измеряемого изделия может быть выполнена в виде трехгранной призмы.Known "Radial deformation sensor" according to the patent for utility model RU 90893 from 01.20.2010, IPC G01B 7/16 - [3], containing an elastic ring, a support for the measured product, mounted on the inner surface of the elastic ring, an adjusting screw for fastening a sensor on the measured product and zeroing the measuring system, strain gauges glued opposite each other on the inner and outer surfaces of the elastic ring. The elastic ring is made with a variable cross section, while the support for the measured product and the adjusting screw are located opposite each other in places of the largest cross section of the elastic ring, and strain gauges are glued on the surface in places with the smallest cross section of the elastic ring. In this case, the elastic ring can be cast, and the sensor can contain two pairs of strain gauges mounted on the elastic ring opposite each other in places of the smallest section, and the support for the measured product can be made in the form of a trihedral prism.
Недостатком известного аналога [3] является то, что конструкция датчика сложна, требует особенной осторожности при затяжке резьбового соединения, а также дополнительной защиты при его эксплуатации. При осуществлении постоянного контроля усилия затяжки резьбового соединения не учитываются неравномерности нагружения деталей и практически применение аналога [3] трудноосуществимо. Кроме того, крепление тензорезисторов на упругое кольцо возможно в основном только при помощи клеевого соединения, которое при постоянных усилиях на резьбовое соединения будет релаксировать, то есть течь, и, следовательно, искажать значение измеряемого усилия.A disadvantage of the known analogue [3] is that the design of the sensor is complex, requires special care when tightening the threaded connection, as well as additional protection during its operation. When carrying out constant monitoring of the tightening force of the threaded connection, the uneven loading of the parts is not taken into account and the use of the analogue [3] is practically impossible. In addition, the attachment of strain gages to an elastic ring is possible only with an adhesive joint, which with constant efforts on the threaded joint will relax, i.e. leak, and, therefore, distort the value of the measured force.
Известен ГОСТ 13438-68* «Шайбы сферические для станочных приспособлений» стр.3 (Приложение 1) - [4], по которому для центровки и равномерной передачи усилия на головку болта (или гайку шпильки) и исключения его (ее) изгиба используют сферические или конические шайбы с подкладными (или накладными) шайбами. При этом сферические (конические) шайбы при приложении к ним усилий также равномерно деформируются, однако применение таких шайб с их равномерной деформацией не известно для применения при измерении усилий затяжки резьбового соединения и при постоянном контроле усилий этой затяжки.Known GOST 13438-68 * "Spherical washers for machine tool accessories" page 3 (Appendix 1) - [4], according to which, for alignment and uniform transfer of force to the bolt head (or stud nut) and the exception of its bending, use spherical or conical washers with washers (or overhead) washers. In this case, spherical (conical) washers, when applied to them, are also uniformly deformed, however, the use of such washers with their uniform deformation is not known for use in measuring the tightening forces of a threaded connection and with constant monitoring of the efforts of this tightening.
Известно «Устройство для измерения силы натяжения каната» по патенту на полезную модель RU 8517 от 27.08.2005 г., МПК G01L 5/04 - [5], содержащее силоизмерительный тензорезисторный консольный датчик, в проходных отверстиях корпуса которого установлены две направляющие опоры, равноудаленные от расположенной между ними центральной опоры, ограничивающей ход прижимного упора, соединенного стяжными болтами и гайками, установленными через тарельчатые шайбы, с планкой, крепящей на корпусе центральную опору, причем центральная опора имеет меньшую высоту, чем направляющие опоры, и все опоры и прижимной упор спрофилированы по диаметру каната. При затягивании гаек через тарельчатые шайбы, нормирующие усилие зажима каната, стяжные винты тянут прижимной упор, который прогибает канат на некоторую величину, составляющую разность между высотой опор. Прогиб каната нагружает одну из опор с усилием, равным составляющей силы натяжения в направлении оси опоры. Это усилие измеряется тензодатчиком.Known "Device for measuring the tension force of the rope" according to the patent for utility model RU 8517 from 08/27/2005, IPC G01L 5/04 - [5], containing a load-measuring strain gauge cantilever sensor, in the passage holes of the casing of which are installed two guide bearings, equally spaced from the central support located between them, limiting the stroke of the clamping stop, connected by coupling bolts and nuts installed through the disk washers, with a strap fastening the central support on the housing, the central support having a lower height, h m guide support, and all the supports and clamping profiled abutment on the rope diameter. When tightening the nuts through the plate washers, normalizing the clamping force of the rope, the clamping screws pull the clamping stop, which bends the rope by a certain amount, which makes up the difference between the height of the supports. The deflection of the rope loads one of the supports with a force equal to the component of the tension force in the direction of the axis of the support. This force is measured by a strain gauge.
Однако тарельчатые (сферические) шайбы в аналоге [5] используются для выравнивания усилий при плавном регулировании показаний тензорезисторного консольного датчика и выполняют второстепенные, вспомогательные функции.However, dish-shaped (spherical) washers in the analogue [5] are used to equalize the forces while continuously adjusting the readings of the strain gauge cantilever sensor and perform secondary, auxiliary functions.
Известен «Комплект для извлечения радиоактивных сборок из реактора» по свидетельству на полезную модель RU8517 от 16.11.1998 г., МПК G21С 19/26, G21C 19/33 - [6], включающий грузоподъемный механизм с полиспастом и передвижную тележку с закрепленным на ней посредством фланца уравнительным блоком, который снабжен силоизмерительной шайбой, закрепленной на его фланце, а силоизмерительная шайба снабжена тензометрами, равномерно расположенными по периметру фланца и образующими два независимых измерительных моста.The well-known "Kit for the extraction of radioactive assemblies from the reactor" according to the certificate for utility model RU8517 from 11.16.1998, IPC G21C 19/26, G21C 19/33 - [6], including a lifting mechanism with a chain hoist and a mobile trolley mounted on it by means of a flange, a leveling block, which is equipped with a load washer mounted on its flange, and the load washer is equipped with tensometers uniformly spaced around the perimeter of the flange and forming two independent measuring bridges.
Недостатком известного аналога [6] является то, что в конструкции силоизмерительной шайбы использовано дискретное распределение тензометров, используемых для компенсации ее неравномерного деформируемого состояния. При этом нет самоцентрирования силоизмерительной шайбы для ее равномерного нагружения. Наличие множества дискретно распределенных тензометров в силоизмерительной шайбе усложняет конструкцию, повышает ее стоимость и снижает надежность. Клеевое крепление тензорезисторов на силоизмерительной шайбе при постоянных усилиях на резьбовые соединения и особенно при воздействии высоких температур будет релаксировать, что со временем будет приводить к увеличению погрешности измерений.A disadvantage of the known analogue [6] is that a discrete distribution of tensometers used to compensate for its non-uniform deformable state is used in the design of the load-measuring washer. At the same time, there is no self-centering of the force-measuring washer for its uniform loading. The presence of many discretely distributed strain gauges in the load washer complicates the design, increases its cost and reduces reliability. The glue fastening of strain gages on a load washer with constant efforts on the threaded joints and especially when exposed to high temperatures will relax, which will lead to an increase in measurement error over time.
Известно «Силоизмерительное устройство» по патенту RU 2410655 от 27.01.2011 г., МПК G01L1/00 - [7], содержащее навинченную на резьбу стержня гайку, расположенную под гайкой плоскую накладную шайбу и расположенную под ней плоскую силоизмерительную шайбу из нержавеющей стали с чувствительными элементами в виде двух резонаторов на поверхностных акустических волнах. Силоизмерительная шайба расположена на стопорном элементе из эластичного материала, расположенном в подкладной шайбе с буртом и фигурными вырезами.Known "Force measuring device" according to patent RU 2410655 from 01/27/2011, IPC G01L1 / 00 - [7], containing a nut screwed onto the thread of the rod, a flat overhead washer located under the nut and a stainless steel flat load washer located under it elements in the form of two resonators on surface acoustic waves. The force washer is located on a retaining element of elastic material located in a washer with a collar and curly cuts.
Основным недостатком аналога [7] является то, что крепление чувствительных элементов (в виде двух резонаторов на поверхностных акустических волнах и малых геометрических размеров) к нержавеющей стали возможно в основном только при помощи клеевого соединения или низкотемпературного припоя, которые при постоянных нагрузках (усилиях) на резьбовое соединение будут релаксировать, то есть течь, и, следовательно, искажать значение усилия. То есть со временем погрешность измерений усилия в резьбовом соединении будет только увеличиваться. Кроме того, при затяжке резьбового соединения стопорный эластичный материал будет подниматься вдоль внешней цилиндрической поверхности силоизмерительной шайбы и по бурту подкладной шайбы для фиксации гайки, и при этом обрывать провода от двух резонаторов на поверхностных акустических волнах к их антеннам, расположенным вне резьбового соединения. Это существенно снижает надежность устройства в целом. Эластичный стопорный материал, находящийся под силоизмерительной шайбой в свою очередь будет демпфировать, искажать измеряемую величину усилия в резьбовом соединении, а со временем будет стареть и изменять свои свойства.The main disadvantage of the analogue [7] is that the fastening of sensitive elements (in the form of two resonators on surface acoustic waves and small geometrical dimensions) to stainless steel is possible only with adhesive bonding or low-temperature solder, which under constant loads (forces) on the threaded connection will relax, i.e. leak, and therefore distort the value of the force. That is, over time, the error in measuring the force in the threaded connection will only increase. In addition, when tightening the threaded connection, the retaining elastic material will rise along the outer cylindrical surface of the load washer and along the shoulder of the washer to fix the nut, and at the same time break off the wires from two resonators on the surface acoustic waves to their antennas located outside the threaded connection. This significantly reduces the reliability of the device as a whole. The elastic locking material located under the load washer, in turn, will damp, distort the measured force in the threaded connection, and will age and change its properties over time.
Также из патентных источников известен «Датчик крутящего момента с телеметрической системой» по патенту EP 2113758 (A2) от 04.11.2009 г., МПК G01D 5/20, G01L3/14 - [8], содержащий два фланца, соединенных между собой упругим элементом с наклеенными на него тензорезисторами, причем показания от тензорезисторов передаются к внешнему считывающему устройству при помощи телеметрической антенны, которая представляет собой обмотку, намотанную и жестко закрепленную на внешней цилиндрической поверхности одного из фланцев.Also known from patent sources is the “Torque Sensor with Telemetry System” according to patent EP 2113758 (A2) dated 04.11.2009, IPC G01D 5/20, G01L3 / 14 - [8], containing two flanges interconnected by an elastic element with strain gauges glued to it, and readings from the strain gauges are transmitted to an external reader using a telemetric antenna, which is a winding wound and rigidly fixed to the outer cylindrical surface of one of the flanges.
Однако аналог [8] не может быть использован для измерения осевого усилия нагрузки, а обмотка, намотанная и жестко закрепленная на внешней цилиндрической поверхности одного из фланцев, используется как телеметрическая антенна, а не для измерения усилия в резьбовом соединении, как в заявляемом устройстве.However, the analogue [8] cannot be used to measure the axial load force, and the winding wound and rigidly fixed to the outer cylindrical surface of one of the flanges is used as a telemetric antenna, and not to measure the force in a threaded connection, as in the claimed device.
Прототипом заявляемого технического решения является: «Силоизмерительный датчик» по заявке на изобретение РФ №201142957/28 (064375) от 24.10.2011 г., МПК8 G01L 1/00, G01L 1/04, G01L 1/22 - [9], содержащий подкладную вогнутую и накладную выпуклую шайбы со сферической поверхностью сопряжения между ними, на внешней цилиндрической поверхности подкладной шайбы жестко установлен чувствительный элемент в виде обмотки тензорезистора, работающий на растяжение, причем внутренний диаметр накладной шайбы больше на 5-10% внутреннего диаметра подкладной силоизмерительной шайбы.The prototype of the proposed technical solution is: "Force sensor" according to the application for the invention of the Russian Federation No. 2011142957/28 (064375) dated 10.24.2011, IPC 8 G01L 1/00, G01L 1/04, G01L 1/22 - [9], containing a concave and laid-on convex washers with a spherical interface between them, on the outer cylindrical surface of the washer, a sensing element is rigidly mounted in the form of a strain gauge winding working in tension, and the inner diameter of the washer is 5-10% more than the internal diameter of the load washer.
Прототип [9] решает вышеприведенные недостатки аналогов [1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7], а именно:The prototype [9] solves the above disadvantages of analogues [1, 2, 3, 4, 5, 6 and 7], namely:
- создания надежного силоизмерительного датчика с повышенной длительностью эксплуатации;- creating a reliable force measuring sensor with increased operating time;
- сведения к минимуму релаксационных свойств клеевого соединения крепления измерительного тензорезистора;- minimizing the relaxation properties of the adhesive joint mounting the measuring strain gauge;
- достижения равномерного распределения нагруженного состояния силоизмерительного элемента (силоизмерительной шайбы) путем его самоцентрирования при приложении осевой нагрузки;- achieving a uniform distribution of the loaded state of the load-measuring element (load-measuring washer) by self-centering upon application of axial load;
- повышения точности измерения силоизмерительного датчика при упрощении его конструкции.- improving the accuracy of measuring the load cell while simplifying its design.
Однако основным недостатком прототипа [9] является то, что в нем для измерения используется только один рабочий элемент силоизмерительного датчика, а именно подкладная шайба (работающая при нагрузке на радиальное растяжение) с намотанной и жестко закрепленной на ее внешней поверхности обмоткой тензорезистора. Деформация второго рабочего элемента - накладной шайбы, которая при приложении нагрузки работает на радиальное сжатие не учитывается, что сильно снижает функциональные возможности прототипа, а именно его чувствительность и точность измерения.However, the main disadvantage of the prototype [9] is that it uses only one working element of the load cell for measurement, namely a washer (operating under radial tension load) with a strain gauge winding wound and rigidly fixed to its outer surface. The deformation of the second working element - the overhead washer, which, when the load is applied, works for radial compression, is not taken into account, which greatly reduces the functionality of the prototype, namely its sensitivity and measurement accuracy.
Для повышения чувствительности и точности силоизмерительного датчика предлагается дополнительно измерять величину радиального сжатия накладной шайбы при помощи тензорезистора, работающего на сжатие, и по показаниям обеих тензорезисторов вычислять дифференциальную разницу измерительных сигналов.To increase the sensitivity and accuracy of the load cell, it is proposed to additionally measure the radial compression of the overhead washer using a compression strain gauge, and to calculate the differential difference of the measuring signals from the readings of both strain gauges.
Таким образом, (сущность изобретения) для повышения чувствительности и точности силоизмерительного датчика, содержащего подкладную вогнутую и накладную выпуклую шайбы со сферической поверхностью сопряжения между ними, чувствительный элемент в виде обмотки тензорезистора, работающего на растяжение и жестко установленного на внешней цилиндрической поверхности подкладной шайбы, накладная шайба дополнительно снабжена вторым чувствительным элементом в виде обмотки тензорезистора, работающим на сжатие. При этом обмотка второго чувствительного тензорезистора (намотанного с натягом) жестко закреплена на внешней цилиндрической поверхности накладной шайбы. Накладная шайба на своей плоской поверхности может иметь выточку прямоугольного сечения, в которой на ее внутренней цилиндрической поверхности (выточки) жестко закреплена (также предварительно намотанная с натягом) обмотка второго чувствительного тензорезистора. Выточка с обмоткой второго чувствительного тензорезистора заполнена упругим компаундом, коэффициенты упругости и температурного расширения которого близки к коэффициентам упругости и температурного расширения материала накладной шайбы. При этом между внутренней цилиндрической поверхностью выточки и обмоткой второго чувствительного тензорезистора может быть расположено промежуточное кольцо прямоугольного сечения из материала накладной шайбы, на котором намотана с натягом и жестко закреплена обмотка второго чувствительного тензорезистора. Обмотки тензорезисторов подкладной и накладной шайб могут быть соединены в измерительную мостовую схему.Thus, (the essence of the invention) to increase the sensitivity and accuracy of the load sensor containing a concave washer and an overhead convex washer with a spherical interface between them, a sensing element in the form of a strain gauge winding working in tension and rigidly mounted on the outer cylindrical surface of the washer, an invoice the washer is additionally equipped with a second sensing element in the form of a strain gauge winding working in compression. In this case, the winding of the second sensitive strain gauge (wound with interference) is rigidly fixed to the outer cylindrical surface of the washer. The overhead washer on its flat surface may have a recess of rectangular cross-section, in which the winding of the second sensitive strain gage is rigidly fixed (also pre-wound with interference) to its cylindrical surface (recess). The recess with the winding of the second sensitive strain gauge is filled with an elastic compound, the coefficients of elasticity and thermal expansion of which are close to the coefficients of elasticity and thermal expansion of the material of the washer. In this case, between the inner cylindrical surface of the undercut and the winding of the second sensitive strain gauge, an intermediate ring of rectangular cross section from the material of the overhead washer can be located on which the winding of the second sensitive strain gauge is wound tightly and rigidly fixed. The windings of the strain gages of the washer and the washer can be connected to a measuring bridge circuit.
На фиг.1 представлен разрез заявляемого силоизмерительного датчика. На фиг.2 - расположение силоизмерительного датчика при измерении усилия в резьбовом соединении. На фиг.3 - разрез силоизмерительного датчика в варианте с выполненной в накладной шайбе выточкой прямоугольного сечения, в которой находится обмотка тензорезистора в компаунде. На фиг.4 - разрез силоизмерительного датчика в варианте, аналогичном по фиг.3, но с обмоткой тензорезистора, расположенной на промежуточном кольце прямоугольного сечения, выполненном из материала накладной шайбы.Figure 1 presents a section of the inventive load sensor. Figure 2 - location of the load cell when measuring the force in the threaded connection. Figure 3 is a sectional view of a load cell in the embodiment with a recess of rectangular cross section made in a washer in which the winding of the strain gauge is located in the compound. In Fig.4 is a section of the load cell in the embodiment similar to Fig.3, but with the winding of the strain gauge located on the intermediate ring of rectangular cross section, made of material washer.
Силоизмерительный датчик содержит подкладную шайбу 1 с одной плоской и другой сферической вогнутой поверхностями и накладную шайбу 2 с одной ответной сферической выпуклой и другой плоской поверхностями. При приложении нагрузки к устройству вследствие взаимодействия по сферической поверхности подкладная шайба будет расширяться, а накладная шайба будет сжиматься, и, соответственно внешний цилиндрический диаметр подкладной шайбы будет увеличиваться, а накладной шайбы уменьшаться. На внешней цилиндрической поверхности 3 подкладной шайбы 1 при помощи клеевого соединения жестко присоединена обмотка 4 первого измерительного тензорезистора, работающего на растяжение. Дополнительно накладная шайба 2 на своей внешней цилиндрической поверхности 5 содержит жестко присоединенную при помощи клеевого соединения обмотку 6 второго измерительного тензорезистора, работающего на сжатие. Обмотка 6 второго измерительного тензорезистора первоначально намотана с натягом и при уменьшении внешнего диаметра цилиндрической поверхности 5 накладной шайбы 2 будет сжиматься в пределах (своих) упругих деформаций и таким образом работать на сжатие.The force sensor contains a washer 1 with one flat and another spherical concave surfaces and a
Силоизмерительный датчик (см. фиг.2) расположен на соединяемой детали 7 на резьбовом стержне 8 (шпильке или болте) и прижат к соединяемой детали 7 при помощи гайки 9. Выполнение поверхности сопряжения сферической между подкладной (сферически вогнутой) шайбой 1 и накладной (сферически выпуклой) шайбой 2 позволяет при приложении усилия затяжки резьбового соединения дополнительно двум шайбам 1 и 2 самоцентрироваться и постоянно работать в условиях равномерно деформированного состояния. При этом обмотки тензорезисторов 4 и 6 соответственно подкладной 1 и накладной 2 шайб могут быть соединены в измерительную мостовую схему для получения дифференцированного измерительного электрического сигнала, что существенно повышает чувствительность и точность устройства - силоизмерительного датчика. Самоцентрирование шайб 1 и 2 при приложении нагрузки к устройству позволяет не только точно снимать показания усилия затяжки резьбового соединения из обмоток 4 и 6 измерительных тензорезисторов, но и обеспечить равномерную передачу усилия на гайку (или головку болта) и не допустить изгибов резьбового стержня 8, что дополнительно повышает надежность резьбового соединения. Так же, как и в прототипе [9], выполнение, но уже двух измерительных, чувствительных к нагрузкам тензорезисторов в виде обмоток 4 и 6 существенно затруднит релаксационные свойства клеевого соединения и тем самым повысит надежность силоизмерительного датчика и длительность его эксплуатации. Крепление термокомпенсационных тензорезисторов на подкладной 1 и накладной шайбах 2 может быть выполнено известными способами на любой свободной поверхности и поэтому они на фиг.1 и фиг.2 не показаны. Снятие показаний с двух тензорезисторов 4 и 6 силоизмерительного датчика также может быть осуществлено различными известными способами.The force sensor (see figure 2) is located on the joined part 7 on the threaded rod 8 (stud or bolt) and pressed against the connected part 7 using the nut 9. The mating surface is made spherical between the washer 1 (spherically concave) and the invoice (spherically a convex)
Накладная шайба 2 на своей плоской поверхности (см. фиг.3) может иметь выточку прямоугольного сечения 9, в которой на ее внутренней цилиндрической поверхности жестко закреплена обмотка 6 второго чувствительного тензорезистора (вместо внешней цилиндрической поверхности 5 накладной шайбы 2). Сама выточка 10 с обмоткой второго чувствительного тензорезистора 6 заполнена упругим компаундом 11, коэффициенты упругости и температурного расширения которого близки к коэффициентам упругости и температурного расширения материала накладной шайбы 2 (для исключения температурных погрешностей). Это техническое решение (введение выточки прямоугольного сечения) позволяет повысить надежность устройства, так как ее применение снижает вероятность отсоединения обмотки 6 от внешней цилиндрической поверхности 5 шайбы 2. Наличие упругого компаунда 11 необходимо для дополнительной фиксации обмотки 6 второго измерительного терморезистора, работающего на сжатие. Для повышения технологичности установки и фиксации второго измерительного терморезистора 6 в цилиндрической выточке 10 между внутренней цилиндрической поверхностью выточки 10 и обмоткой 6 второго чувствительного тензорезистора может быть расположено промежуточное кольцо 12 прямоугольного сечения (см. фиг.4) из материала накладной шайбы 2. При этом первоначально закрепляют обмотку 6 (см. фиг.4 и фиг.5) на внешней поверхности промежуточного кольца 12, а после этого кольцо 12 с обмоткой 6 устанавливают в цилиндрической выточке 10 и заполняют упругим компаундом 11. Предварительно кольцо 12 с обмоткой 6 могут устанавливать в цилиндрической выточке 10 с натягом на ее внутреннюю цилиндрическую поверхность. Обмотки тензорезисторов 4 и 6 подкладной 1 и накладной 2 шайб могут быть соединены в общеизвестную измерительную мостовую схему, которая отличается высокими надежностью и точностью снятия показаний.The
Работает силоизмерительный датчик следующим образом. При завинчивании резьбового соединения, а именно навинчивания на резьбовой стержень 8 гайки 9, последняя прижимает через накладную шайбу 2 подкладную шайбу 1 к соединяемой детали 7. При этом при воздействии осевой нагрузки подкладная шайба 1 и накладная шайба 2 самоцентруются по общей сферической поверхности сопряжения, так что они постоянно находятся в условиях равномерно деформированного состояния, и при этом подкладная шайба будет расширятся, а накладная шайба будет сжиматься. Расположенные на шайбах 1 и 2 измерительные тензорезисторы 4 и 6 будут одновременно соответственно растягиваться и сжиматься, и, следовательно, с тензорезисторов 4 и 6 будут получать дифференциальный измерительный сигнал, который преобразуют вторичным внешним прибором в значение усилия затяжки резьбового соединения.Powered sensor works as follows. When screwing the threaded connection, namely, screwing the nuts 9 onto the threaded rod 8, the latter presses the washer 1 through the
Таким образом, возможно контролировать процесс правильной затяжки резьбового соединения и его дальнейшее состояние. И, наоборот, при снятии нагрузки с резьбового соединения (отвинчивании гайки 9) обмотка 4 будет сжиматься, а обмотка 6 растягиваться и вторичный прибор даст сигнал, например оператору, об аварийной ситуации.Thus, it is possible to control the process of proper tightening of the threaded connection and its further state. And, on the contrary, when removing the load from the threaded connection (unscrewing the nut 9), the winding 4 will be compressed, and the winding 6 will stretch and the secondary device will signal, for example, to the operator, about the emergency.
Применение предложенного силоизмерительного датчика с двумя обмотками тензорезистров, работающими соответственно на растяжение и сжатие, позволит существенно повысить чувствительность силоизмерительного датчика. Этим дополнительно снижается вероятность аварийных ситуаций в строительных сооружениях, являющихся промышленно опасными объектами и имеющих важное стратегическое значение, за счет постоянного измерения усилий в различных резьбовых соединениях строительных элементов и конструкций, от состояния которых в значительной степени зависит их надежность.The use of the proposed load sensor with two windings of strain gauges working respectively in tension and compression, will significantly increase the sensitivity of the load sensor. This further reduces the likelihood of emergencies in building structures that are industrially hazardous facilities and of strategic importance due to the constant measurement of forces in various threaded joints of building elements and structures, the state of which greatly depends on their reliability.
Полагаем, что предложенный силоизмерительный датчик обладает всеми критериями изобретения, так как совокупность ограничительных и отличительных признаков формулы изобретения является новым для конструкций силоизмерительных датчиков, и, следовательно, соответствует критерию "новизна".We believe that the proposed load cell has all the criteria of the invention, since the combination of restrictive and distinctive features of the claims is new to the design of load cells, and therefore meets the criterion of "novelty."
Совокупность признаков формулы изобретения предложенного устройства неизвестна на данном уровне развития техники и не следует общеизвестным правилам разработки и конструирования силоизмерительных датчиков, что доказывает соответствие критерию "изобретательский уровень".The set of features of the claims of the proposed device is unknown at this level of technology and does not follow the well-known rules for the development and construction of force sensors, which proves compliance with the criterion of "inventive step".
Разработка, конструирование и внедрение предложенного силоизмерительного датчика не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию "промышленная применимость".The development, design and implementation of the proposed load cell does not present any structural, technical and technological difficulties, which implies compliance with the criterion of "industrial applicability".
ЛИТЕРАТУРАLITERATURE
1. Свидетельство на полезную модель RU 78311 от 20.11.2008 г., МПК GO1L 1/22 - «Датчик силы тензометрический».1. Certificate for utility model RU 78311 dated November 20, 2008, IPC GO1L 1/22 - “Strain gauge force sensor”.
2. Патент RU 2401423 от 10.10.2010 г., МПК G01L 5/24 - «Способ контроля усилия затяжки резьбовых соединений».2. Patent RU 2401423 dated 10.10.2010,
3. Свидетельство на полезную модель RU 90893 от 20.01.2010 г., МПК G01B 7/16 - «Датчик радиальной деформации».3. Certificate for utility model RU 90893 dated January 20, 2010, IPC G01B 7/16 - “Radial deformation sensor”.
4. ГОСТ 13438-68* «Шайбы сферические для станочных приспособлений» стр.3 (Приложение 1).4. GOST 13438-68 * "Spherical washers for machine tools" p. 3 (Appendix 1).
5. Патент на полезную модель RU 47517 от 27.08.2005 г., МПК G01L5/04 - «Устройство для измерения силы натяжения каната».5. Patent for utility model RU 47517 dated 08/27/2005, IPC G01L5 / 04 - “Device for measuring the rope tension force”.
6. Свидетельство на полезную модель RU 8517 от 16.11.1998 г., МПК G21C 19/26, G21C 19/33 - «Комплект для извлечения радиоактивных сборок из реактора».6. Utility Model Certificate RU 8517 of 11.16.1998, IPC G21C 19/26, G21C 19/33 - “Kit for the extraction of radioactive assemblies from a reactor”.
7. Патент RU 2410655 от 27.01.2011 г., МПК G01L 1/00, «Силоизмерительное устройство».7. Patent RU 2410655 dated January 27, 2011, IPC G01L 1/00, “Force measuring device”.
8. Патент: EP 2113758 (A2) от 04.11.2009 г., МПК G01D 5/20; G01L3/14 -«Датчик крутящего момента с телеметрической системой».8. Patent: EP 2113758 (A2) dated November 4, 2009,
9. Заявка на изобретение РФ №2011142957/28 (064375) от 24.102011 г., МПК8 GO1L 1/00, G01L 1/04, G01L 1/22, «Силоизмерительное устройство», (решение о выдачи патента от 11.10.2012 г.) - прототип.9. Application for invention of the Russian Federation No. 2011142957/28 (1064375) dated 10.24.2011, IPC 8 GO1L 1/00, G01L 1/04, G01L 1/22, “Force measuring device”, (decision to grant a patent dated 11.10.2012 .) is a prototype.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013100689/28A RU2517961C1 (en) | 2013-01-09 | 2013-01-09 | Force-measuring sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013100689/28A RU2517961C1 (en) | 2013-01-09 | 2013-01-09 | Force-measuring sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2517961C1 true RU2517961C1 (en) | 2014-06-10 |
Family
ID=51216242
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013100689/28A RU2517961C1 (en) | 2013-01-09 | 2013-01-09 | Force-measuring sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2517961C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU455252A1 (en) * | 1973-05-14 | 1974-12-30 | Московский автомеханический институт | Device for measuring axial force |
| SU972274A1 (en) * | 1981-05-25 | 1982-11-07 | Липецкий Литейный Завод "Центролит" | Force measuring pickup |
| EP2060894A1 (en) * | 2006-10-11 | 2009-05-20 | Nitta Corporation | Strain gauge sensor |
| RU2410655C1 (en) * | 2010-01-11 | 2011-01-27 | Открытое акционерное общество "Авангард" | Force-measuring device |
-
2013
- 2013-01-09 RU RU2013100689/28A patent/RU2517961C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU455252A1 (en) * | 1973-05-14 | 1974-12-30 | Московский автомеханический институт | Device for measuring axial force |
| SU972274A1 (en) * | 1981-05-25 | 1982-11-07 | Липецкий Литейный Завод "Центролит" | Force measuring pickup |
| EP2060894A1 (en) * | 2006-10-11 | 2009-05-20 | Nitta Corporation | Strain gauge sensor |
| RU2410655C1 (en) * | 2010-01-11 | 2011-01-27 | Открытое акционерное общество "Авангард" | Force-measuring device |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105588669B (en) | Axle pin type three-way force cell sensor | |
| CN102650578B (en) | Testing method for normal temperature and high temperature stress relaxation of flat spring | |
| CN113844063B (en) | Real-time monitoring device and method for technological parameters of pultrusion of composite material | |
| CN110146397A (en) | One kind being bolted interface micro-moving frictional wear test device and its method | |
| Jilani et al. | Static strain modelling, calibration, and measurements for high-temperature wireless SAW resonator operation | |
| RU2517961C1 (en) | Force-measuring sensor | |
| CN103162877B (en) | A kind of method checking bolt load | |
| KR20020051340A (en) | The measurable bridge bearing, the system there of, and the method of maintaining and controling a bridge by means of them | |
| RU2475715C1 (en) | Force-measuring sensor | |
| CN209945590U (en) | Integrated steel pipe support stress testing device | |
| CN102650583A (en) | Beryllium bronze leaf spring normal-temperature and high-temperature stress relaxation testing device and testing method thereof | |
| RU2247952C2 (en) | Dynamometer | |
| CN108051122A (en) | Pivoting support stress distribution monitoring method based on fiber grating | |
| RU2483277C1 (en) | Strain gauge | |
| CN211205608U (en) | Bolt assembly and system for detecting stress of bolt | |
| CN105091729B (en) | A kind of extend Strain Extensometer of bar of invar steel that adopts | |
| CN207662549U (en) | Monitor bearing and intelligent monitor system | |
| CN211954524U (en) | Device for measuring cable force of inhaul cable | |
| CN215573514U (en) | Force measuring device | |
| CN207050906U (en) | Force measuring device in a kind of drag-line based on anchor head strain | |
| CN202433131U (en) | Device for inspecting load of bolt | |
| CN220772403U (en) | Force measurement assembly and remote force measurement intelligent support | |
| US20050145044A1 (en) | Six degrees of freedom mirrored cantilever extensometer | |
| RU2584383C1 (en) | Meter of axial forces | |
| CN215262196U (en) | Screw force measuring piece |