Весы представляют собой механизм, состоящий из различных деталей, включающих рычаги, оси вращения, упругие опоры и демпферы, причем все они способствуют обеспечению эксплуатационных качеств, чувствительности, точности и стабильности.
Рычажные системы
Рычаги представляют собой механические приспособления для передачи и преобразования нагрузки. Они используются в весах в основном для уменьшения развиваемых больших усилий, являющихся результатом загрузки материала в грузоподъемный бункер или на платформу, до величины, при которой эта сила может быть уравновешена значительно меньшей силой; например, груз массой в 1 т, помещенный на весы, может быть уравновешен небольшой силой, приложенной к коромыслу весов. Рычаги — жесткие звенья, способные поворачиваться вокруг точки опоры или призмы.
Показаны два рода рычагов:
рычаг первого рода, у которого опорная призма F находится между точками приложения силы Р и груза L;
рычаг второго рода, у которого точка приложения груза L лежит между опорной призмой F и точкой приложения силы Р или у которого точка приложения силы Р находится между опорной призмой F и точкой приложения груза L.
Рычаг находится в равновесии, если выполняется следующее соотношение: груз X плечо груза = силах плечо силы.
В рычажной системе высокопроизводительных весов участвуют очень большие грузы, требующие длинных рычагов для уменьшения необходимой для равновесия силы. Архимед утверждал: «Дайте мне достаточно длинный рычаг и я смогу перевернуть Землю». Теоретически тяжелый груз можно уравновесить небольшой силой. Однако использование одного рычага требует большой его длины и прочности, необходимых для получения требуемого усилия. Для устранения конструктивных недостатков системы с одним рычагом используют сложные рычажные системы. Сложная рычажная система, применяемая в весовом механизме, представляет собой ряд рычагов, установленных таким способом, что сила, приложенная к первому рычагу, передается на второй рычаг, затем на третий рычаг и т. д.
При конструировании рычага необходимо учитывать три условия: прогиб, угол поворота и равновесие. Прогиб рычага является результатом изгиба рычага под нагрузкой. Деформация при изгибе может быть рассчитана, если известны модуль упругости материала рычага и момент инерции поперечного сечения. Угол поворота рычага определяется положением центра вращения относительно линии вращения.
Считают, что рычаг находится в равновесии, когда силы, действующие на него, уравновешены и не изменяют его положения.
Оси вращения
Расположение опорных призм фиксирует длину плеч рычага и таким образом определяет их соотношение. Из этого следует, что точки опоры должны оставаться в процессе взвешивания неизменными.
В практике взвешивания эти постоянные точки или оси вращения выполняют в виде призм, подшипниковых опор и упругих опор.
Призмы. Дан поперечный разрез некоторых типичных призм; наиболее распространенными в конструкции весов являются V-образная подушка и ножевая призма. Основание желоба опорной поверхности изготовляется не с острым углом, а имеет очень незначительное закругление, чтобы приспособиться к неизбежному закруглению связанной с ним призмы под нагрузкой. Угловая опорная поверхность обычно имеет угол 120—150 °. Опору изготовляют из закаленной стали и обрабатывают на станке до нужного сечения или отливают из вольфрамовой стали или стеллита.
Для обеспечения точности весового механизма призмы должны удовлетворять следующим требованиям:
трение необходимо уменьшить до минимума, а соответствующий зазор должен обеспечивать требуемое угловое перемещение призмы;
максимальная нагрузка не должна вызывать упругой деформации или выкрашивания; периодическое профилактическое обслуживание при обычных условиях эксцлуатации следует проводить через приемлемые интервалы времени.
На величину трения влияет относительная твердость призмы и опорной поверхности. Твердая призма на мягкой опорной поверхности будет образовывать относительно глубокий след, вызывая заедание. Мягкая призма, работающая в паре с более твердой опорной поверхностью, будет сплющиваться, при этом точность весов под нагрузкой будет уменьшаться благодаря тенденции призмы перекатываться по опорной поверхности и оставаться в этом положении. Желательная твердость призмы — 60 единиц по Роквеллу, а для опорной поверхности — минимум 62 единицы по Роквеллу.
Подшипниковая опора. В обычной инженерной практике шариковые подшипники предпочитают роликовым или подшипникам скольжения по следующим причинам:
- меньшая потеря усилия вследствие более низкого коэффициента трения и, как следствие, более высокая чувствительность;
- сопротивление трению в начале движения значительно меньше, чем в подшипнике скольжения;
- шариковые подшипники более компактны, чем подшипники скольжения, необходимые для осуществления аналогичного режима работы;
- шариковый подшипник надлежащей конструкции может саморегулироваться в соответствии с прогибом или деформацией вала;
- износ шариков практически незначителен вследствие постоянного изменения точек контакта с валом.
Упругие опоры. Упругие опоры применяют там, где требуемое угловое перемещение относительно оси ограниченно и отсутствие трения и зазора имеет огромное значение. Упругие опоры изготовляют нескольких конфигураций. Наиболее распространенным типом является в основном деталь, которая податлива изгибу относительно одной оси (ЛЛ), но имеет жесткость относительно поперечной оси.
Часто трудно установить точки опоры в рычажной системе так, чтобы фактические расстояния между призмами с достаточной точностью соответствовали расчетным величинам. Для обеспечения правильного соотношения плеч рычага производители весов делают положение точек приложения сил (на одном или более рычагах) регулируемым по отношению к расстоянию их от призм. Небольшие неточности в регулировке точек опоры могут быть компенсированы, и при этом соотношение плеч рычагов в рычажной системе достигнет расчетной величины. Положение скользящей, вручную регулируемой точки опоры фиксируют винтами и болтами.
Демпферы
При воздействии груза на весовые механизмы, в которых используются смешанные рычажные и маятниковые системы, обычно появляются колебания, которые постепенно уменьшаются благодаря трению в системе. Часто затухание колебаний занимает некоторое время. Кроме того, внезапное приложение или снятие нагрузки может вызвать повреждение весов и рычажной системы.
Для ускорения процесса взвешивания и защиты всего весового механизма необходимо использовать успокоитель (демпфер), способный поглощать удар. Рассмотрим три различных типа успокоителей.
Масляный успокоитель. Показан масляный успокоитель, основной деталью которого является поршень, перемещающийся в цилиндре, заполненном маслом. Его работа зависит от сопротивления жидкости при ее прохождении между поршнем и стенкой цилиндра во время движения поршня.
Сопротивление трения, или вязкость, может изменяться в зависимости от температуры. При повышении температуры коэффициент трения уменьшается и масло оказывает меньшее сопротивление прохождению поршня через него; падение температуры оказывает противоположное действие. Работу многих масляных успокоителей можно регулировать с целью компенсации изменения вязкости масла. Такие масляные успокоители называют термостатическими.
Воздушные успокоители. Принцип действия воздушного успокоителя подобен принципу действия масляного успокоителя; любое внезапное перемещение штока поршня будет приводить к вынужденному вытеснению воздуха. Этот вид успокоителя прост по конструкции и не нуждается в регулировке для компенсации изменений окружающей температуры. Однако он не нашел широкого применения из-за возможной конденсации внутри цилиндра. Это может вызвать повреждение зеркальной поверхности стенки цилиндра и поверхности поршня. Кроме того, между поршнем и цилиндром могут проникать частицы пыли, которые, царапая стенку цилиндра, постепенно уменьшают эффективность воздушного затвора.
Магнитный успокоитель. Это наиболее стабильный и безотказный метод уменьшения колебаний указательного механизма весов, и он получает все большее распространение.
Эта система демпфирования в течение многих лет используется в электрических счетчиках и других приборах. Гашение колебаний осуществляется креплением к указателю продолговатой алюминиевой пластины, которая мбжет поворачиваться между полюсами постоянного магнита. Токи, индуктируемые в пластине, наводят дополнительное магнитное поле, которое при взаимодействии с исходным полем создает вращающий момент и уменьшает колебание движущегося элемента. Чем быстрее перемещается элемент, тем больше индуцируемый ток, вызывающий эффект поглощения удара.
Тензометрический датчик (силоизмерительный элемент)
При наиболее распространенных методах взвешивания используются механические рычаги, которые имеют некоторые ограничения. В дозаторах с механическими рычагами устройство считывания данных (общепринятую сцифрованную шкалу) необходимо устанавливать вблизи места взвешивания, для этого ее приходится механически соединять с рычажной системой. Рычаги получаются очень тяжелыми и дорогими, имеют много движущихся деталей и обладают определенной поверхностью, где возможно накопление пыли.
Тензометрический датчик обеспечивает метод взвешивания, который свободен от этих ограничений, представляя информацию в форме электрического сигнала, пропорционального весу. Тензометрический (динамометрический) датчик может применяться в двух вариантах: на выходе распространенной рычажной системы (гибридная система) и вместо общепринятых рычагов (полностью электронная система динамометрических датчиков). В обоих этих случаях тензометрический датчик позволяет применять дистанционные указатели и записывающие устройства, которые срабатывают быстрее, чем аналогичные механические устройства. Кроме того, они имеют большие диапазоны измерений массы, меньше движущихся деталей, меньшие поверхности для отложения пыли и дают возможность соединять несколько взвешивающих устройств с одним считывающим устройством.
Тензометрические датчики встраивают в упругие элементы, работающие как на растяжение, так и на сжатие. Наиболее простой тип тензометрического датчика представляет собой столбиковый элемент, изготовленный из высококачественной стали, который растягивается или сжимается благодаря воздействию на него груза Р (растяжение или сжатие). На этом столбиковом элементе жестко крепится проволочный тензодатчик.
Электрическое сопротивление этих проволочных тензодатчиков, которые являются частью мостика Уитстоуна, изменяется в зависимости от нагрузки на столбиковый элемент, а изменение электрического сопротивления может быть после усиления измерено соответствующим прибором.
Коэффициент тензочувствительности датчика К представляет собой отношение удельного изменения сопротивления и деформации проволоки.
Показана конструкция проволочного тензодатчика. Основная его деталь — решетка или спираль из тонкой проволоки высокого сопротивления, наматываемой обычно на бумажную основу, соединенную в матрицу ацетатным клеем и защищенную дополнительными слоями бумаги. Концы проволоки привариваются или припаиваются к узким полоскам или металлическим наконечникам. Проволока обычно изготовляется из константана — сплава меди и никеля и имеет диаметр 20—30 мкм. При использовании датчик приклеивают к испытываемому образцу и затем считают его (вследствие небольшого размера и толщины) как одно целое с поверхностью образца. Любая деформация образца будет пропорционально воспроизводиться проволочной решеткой. Это выражается связанными в линейной зависимости увеличениями или уменьшениями сопротивления в соответствии с имеющейся деформацией.
Во многих системах взвешивания для устойчивости механической конструкции необходимо использование нескольких тензометрических датчиков; при этом каждый датчик будет нести часть нагрузки. Массу, воспринимаемую каждым датчиком, можно суммировать путем параллельного соединения выходов датчиков. Эта цепь требует только одного источника питания и дает на выходе напряжение, равное сумме отдельных разностей потенциалов. Это положение справедливо, только когда полное сопротивление-всех тензометрических датчиков идентично и они откалиброваны на стандартную величину.