Устройство для измерения массы

(71) Научно-исследовательский и кон торский институт испытательных м приборов и средств измерения масс (72) Е. И. Новиков(54) (57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАССЫ, содержащее пьезоэлектрический резонатор с возбуждающими электродами, закрепленный жестко между силоприемным элементом и основанием, и схему формирования сигнала разностной частоты с цифровым индикатором, отличающееся тем что, с целью повышения точности измерения, в него введены сильфон, размещенный между основанием и силоприемным элементом с образованием с ними герметичной полости и охватывающий пьезоэлектрический резонатор, и направляющие, жестко закрепленные на основании и кицечатически свяструкашин,относится к весоизмерительоению и может быть испольизионного измерения массы име дискретного взвешиваиме непрерывного взвешиваого груза на ленточных транИзобретениеному приборострзовано для прецгруза как в режния, так и в режция перемещаемспортерах.Известно устсы, в котором икий трансформаного элемента м роиство для измерения ма пользован пьезоэлектриче гор в качестве чувствител икровесов. Пьезоэлектриче ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР занные с силоприемным элементом, а схема формирования сигнала разностной частоты выполнена в виде транзисторного возбудителя, связанного с ним первым входом первого сумматора, второго сумматора, связанного первым входом через последовательно соединенные первый формирователь импульсов и первый ключ с выходом первого сумматора, образцового генератора, связанного с вторым входом первого сумматора и через последовательно соединенные второй формирователь импульсов, блок делителей и второй ключс вторым входом второго сумматора, выход которого подключен к цифровому индикатору, причем блок делителей соединен с вторым входом первого ключа, второй выход которого подключен к управляющему входу второго ключа, при этом транзисторный возбудитель связан с возбуждающими электродачц через герм ов ыводы.2. Устройство по п. 1, отлнчающеесятем, что возбуждающие электроды выполнены из материалов с разными плотностями и один из них по крайней мере снабжен подстроечной мишенью. кий трансформатор выполнен в киле пластины из пьезоэлектрического материал, и поверхности которой расположены три секции. Одна из секций служит измерительным резонатором и подключена квтогенс ратору, частота которого изменяется пропорционально изменению измеряемой массы. Вторая секция подключена к регцстриру 1 ощечу прибору.Недостатка ч и устрой ств я кля кп ся с р- внительно невысокая точность изчереция и1476332 25 30 35 40 45 50 55 возможность измерения только микрочастиц, имеющих массу, соизмеримую с массой возбуждающих металлических электродов (секций). Это обусловлено нагружением микро- частиц непосредственно на колеблющийся 5 пьезоэлектрический элемент, работающий в неза гци щенном окружающем объеме.Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является устройство для измерения 1 0 механических величин, содержащее пьезоэлектрический резонатор с возбуждающими электродами, закрепленный жестко между силоприемным элементом и основанием, и схему формирования сигнала разностной частоты с цифровым индикатором.Недостатками этого устройства являются сравнительно большой вес, невысокий ресурс работы и низкая точность измерения, обусловленные наличием частотно-аналогового преобразователя, корректирующих эле ментов, имеющих значительную массу, и отсутствием защитных элементов от влияния мешающих воздействий, снижающих добротность пьезоэлектрического резонатора стабильность начального положения и коэффициента преобразования,Целью изобретения является повышение точности измерения, ресурса работы устройства и снижение его веса.Указанная цель в устройстве для измерения массы, содержащем пьезоэлектрический резонатор с возбуждающими электродами, закрепленный жестко между силоприемным элементом и основанием, и схему формирования сигнала разностной частоты с цифровым индикатором, достигается тем, что в него введены сильфон, размещенный между основанием и силоприемным элементом с образованием с ними герметичной полости и охватывающий пьезоэлектрический резонатор, и направляющие, жестко закрепленные на основании и кинематически связанные с силоприемным элементом, а схема формирования сигнала разностной частоты выполнена в виде транзисторного возбудителя, связанного с ним первым входом первого сумматора, второго сумматора, связанного первым входом через последовательно соединенные первый формирователь импульсов и первый ключ с выходом первого сумматора, образцового генератора, связанного с вторым входом первого сумматора и через последовательно соединенные второй формирователь импульсов, блок делителей и второй ключ - с вторым входом второго сумматора, выход которого подключен к цифровому индикатору, причем блок делителей соединен с вторым входом первого ключа, второй выход которого подключен к управляющему входу второго ключа, при этом транзисторный возбудитель связан с возбуждающими электродами через гермовыводы.Кроме того, возбуждающие электроды выполнены из материалов с разными плотностями и один из них по крайней мере снабжен подстроечной мишенью. На чертеже представлена функциональная схема устройства для измерения массы.Устройство содержит частотный датчик 1, состоящий из пьезоэлектрического резонатора 2 и двух возбуждающих электродов (металлических обкладок) 3 и 4, сильфон 5, расположенный между силоприемным элементом, выполненном в виде нагрузочного фланца 6, основанием, выполненным в виде опорного фланца 7, и направляющими 8, закрепленными на опорном фланце и кинематически связанными с нагрузочным фланцем 6 посредством шариков 9. Возбуждающие электроды 3 и 4 нанесены на главные (большие) грани пьезоэлектрического резонатора 2 и выполнены одинаковой толщины и размеров, но из материалов с различными плотностями. Так, электрод 3 выполнен из серебра, а электрод 4 - из золота. Указанное выполнение электродов позволяет улучшить амплитудно-частотную характеристику частотного датчика за счет расширения частотного спектра. Электрод 3 снабжен подстроечной мишенью 10, В нагрузочном фланце 6 в отверстие вмонтирован штенгель 11, предназначенный для вакуумирования объема сильфона 5, в котором помещен частотный датчик 1. В опорном фланце 7 выполнены гермовыводы 12, служащие для электрической связи пьезоэлектрического резонатора, размещенного внутри сильфона 5 с элементами электронной схемы, находящейся вне сильфона 5.На опорном фланце 7 размещены электрические элементы и блоки, выполненные на интегральных микросхемах, а именно: транзисторный возбудитель 13, подключенный к одному из входов первого сумматора 14, к . другому входу которого подключен первый выход образцового генератора 15. Выход первого сумматора 14 через последовательно соединенные первый формирователь 16 импульсов и первый ключ 17 подключен к первому входу второго сумматора 18. К второму входу второго сумматора 18 через последовательно соединенные второй формирователь 19 импульсов, блок 20 делителей и второй ключ 21 подключен второй выход образцового генератора 15. Второй выход блока 20 делителей подключен к второму входу первого ключа 17, второй выход которого подключен к управляющему входу второго ключа 21. Выход второго сумматора 18 подключен к цифровому индикатору 22. Блок питания (не показан) обеспечивает питанием все блоки устройства.(3) 50 55 5Указанная электронная схема представляет собой схему формирования сигнала разностной частоты.На нагрузочном фланце 6 устанавливается измеряемый груз 23. Подстроечная мишень 10 используется для подгонки начальной частоты пьезоэлектрического резонатора 2 к номинальному значению, равному значению частоты образцового генератора 5. Пьезоэлектрический резонатор 2 изготавливается на частоту ниже частоты образцового генератора на несколько десятков герц (1 О - 30 Гц). Затем с помощью лазерного луча (или химическим травлением) снимают часть металлического покрытия с подстроечной мишени 10, что повышает частоту колебаний пьезоэлектрического резонатора 2. Многократным повторением операции снятия металлического покрытия значение частоты пьезоэлектрического резонатора может быть доведено до 0,1 Гц от заданного номинала.Транзисторный возбудитель 13 возбуждает колебания в пьезорезонаторе 2 с частотой равной частоте колебаний образцового генератора 15. Нагрузочный фланец 6, имеющий известную массу гп, в силу второго закона Ньютона на пьезоэлектрическом резонаторе 2 создает силуР= гпф (1) В силу действия силочастотного эффекта частота пьезоэлектрических колебаний пьезоэлектрического резонатора 2 отклоняется на величинуд 1, =К -- ( - ,1 ео Р(2) где К - силочастотный коэффициент;Д - площадь пьезоэлектрического резонатора,С выхода транзисторного возбудителя 13 на первый вход первого сумматора 14 подается электрический сигнал, частота которого равна 1 О - д 1 На второй вход первого сумматора 14 подается электрический сигнал от образцового генератора 15 с частотой 1,. В результате вычитания вычитания в первом сумматоре 14 на его выходе будет выделен электрический сигнал с частотой равной разности(,(обр.ген.) - о - ь) = л 1 Этот сигнал, имеющий синусоидальную форму, пройдя через первый формирователь 16 импульсов в прямоугольной форме (без изменения частоты), подается на первый вход первого ключа 17, находящегося в закрытом состоянии. С второго выхода образцового генератора 5 через второй формирователь 19 импульсов, преобразующий сигнал синусоидальной формы в сигнал прямоугольной формы также без изменения частоты, на 5 25 30 35 40 блок деления 20 частоты подается сигнал с частотой 1 о.С первого выхода блока 20 деления частоты на второй ключ 21, находящийся в закрытом состоянии, подается сигнал, частота которого после деления равна а 1 д, равная частоте электрического сигнала ( ь 1), поданного на первый ключ 17. С второго выхода блока 20 деления частоты (после деления) на второй вход первого ключа 17 поступает сигнал с частотой 8 1= 1 Гц, открывающий ключ 17 по первому фронту сигнала. Черед открытый первый ключ 17 на первый вход второго сумматора 18 поступает электрический сигнал с частотой д 1. Электрический сигнал с частотой 8 1=1 Гц по заднему фронту (т.е, через время, равное 1 с закрывает первый транзисторный ключ 17, а сигнал с его второго выхода открывает второй транзисторный ключ 21. Электрический сигнал (д 1 дед.) с первого выхода блока 20 деления частоты через открытый второй ключ 21 подается на второй вход второго сумматора 18, в котором производится вычитание записанного в нем сигнала с частотой д 1.В результате вычитания с выхода второго сумматора 18 на цифровой индикатор 22 поступает электрический сигнал с частотой, равной нулю. Цифровой индикатор 22 индицирует на цифровом табло указанный сигнал свидетельствующий о том, что устройство работает правильно и что действие массы нагрузочного фланца 6 учтено, т.е. прн измерении массы груза 23 не возникает погрешность.После проведенной проверки на нагрузочный фланец 6 помещается груз 23, массу которого требуется измерить. Масса груза 23 создает также, как и нагрузочный фланец 6, силу, равную: Гизи. = призм,д, которая воздействует на пьезоэлектрический резонатор 2, вызывая отклонение частоты его колебаний на величину Таким образом, с выхода транзисторного возбудителя 13 на первый вход первого сумматора 14 поступает сигнал с частотой 1 рез, = 1 о - Ь 1 - й ем.С выхода первого сумматора 14 после вычитания через первый формирователь 16 импульсов на первый вход первого ключа 17 подается электрический сигнал с частотой(рез, = й 1 + д 1 изм,После открывания первого ключа 17 на второй сумматор 18 поступает сигнал с частотой 1 = ь 1. После вычитания во втором сумматоре 18 с его выхода на цифровой индикатор 22 поступает сигнал с частотойрез; - =Ыизм., соответствующий массе измеряемого1476332 ставитедь В. Курбатовахред И. Верее Корректор Мраж 790 Подписноеета по изобретениям и,рткрытиямЖ - 35, Рау шская наб., д. 45омбинат Патент, г. Ужгород, уд Редактор М. К Заказ 2114/42 ВНИИПИ Гос лемеш Максимишигкнт ссс Гагарина 10 дарственного комг 1 3035, Москва енно.издательский Производст груза 23, поскольку преобразования массы в силу и силы в изменение частоты электрического сигнала имеют линейный характер.Точность измерения массы груза 23 высокая, поскольку пьезоэлектрический резонатор 2 выполнен из высокодобротного пьезоэлектрического кристалла, обладающего стабильным коэффициентом преобразования и выполнен с нулевым температурным коэффициентом.10Устройство по изобретению обеспечивает снижение веса, повышение ресурса работы и точности измерения массы за счет введения в устройство сильфона с вакуумированием его объема, в котором помещен пьезоэлектрический резонатор, являющийся пре образователем массы (через усилие) в частоту электрического сигнала. Введение в устройство подстроечной мишени позволяет повысить точность задания начальной частоты пьезоэлектрического резонатора за счет снижения ее массы с помощью точечного выжигания или химического травления.Электрическая схема обеспечивает повышение точности обработки частоты сигнала за счет двухступенчатого вычитания частоты: первая ступень - аналоговое вычитание с помощью аналогового диодного смесителя (первого сумматора) - снимает высокую частоту, и вторая ступень - дискретное вычитание с помощью регистрового сумматора - вычитает значение частоты электрического сигнала, соответствующее массе нагрузочного фланца 6.