Устройство весов на датчике Tuning-Fork |
|
|
|
Система Tuning-Fork, разработанная Shinko Denshi, теперь известна как идеальный датчик для измерения веса. Фирма Shinko Denshi является единственным в мире изготовителем электронных весов, в которых используется датчик Tuning-Fork, такие весы теперь широко используются в различных отраслях производства, особенно в ювелирной и химической промышленности. Датчик Tuning-Fork также был использован в механизме поддержки самого большого в мире телескопа Subaru, наиболее точного телескопа, работающего в инфракрасном диапазоне волн.
|
1. Каковы преимущества датчикаTuning-Fork
В настоящее время в промышленности широко применяются три типа датчиков измерения веса: тензодатчики, электромагнитные датчики компенсационного типа и Tuning-Fork. Датчик Tuning-Fork характеризуется высокой точностью измерений, высокой стабильностью и надёжностью по сравнению с двумя другими типами датчиков.
Весы с использованием тензодатчиков
Измеряется изгиб металлической пластины прикреплённым к ней датчиком, пропоциональный приложенной к ней нагрузке. На выходе такого датчика напряжение (т. е. аналоговый сигнал) преобразуется в цифровой код при помощи АЦП, затем измеренное значение отображается на цифровом дисплее. В целом такое устройство просто и недорого. Однако точность измерений в данном случае существенно ниже, чем при использовании датчиков двух других типов, Tuning-Fork обеспечивает значительно большую точность измерений, как будет показано позже.
Электромагнитный датчик компенсационного типа
Измеряемый вес компенсируется электромагнитной силой, создаваемой электрическим током, протекающем в соленоиде, сила этого тока пропорциональна измеряемому весу. Также, как и в случае с тензодатчиком, в весах такого типа необходим АЦП, преобразующий ток в соленоиде в цифровой код. Этот метод практически идеален для высокоточных весов, хотя для его реализации необходимы высокоточные технологии в связи с необходимостью компенсации изменений температуры и магнитного поля.
Весы с использованием датчика Tuning-Fork
Акустический резонатор Tuning-Fork это монолитная металлическая структура, представляющая собой два соединённых между собой прибора, напоминающих обычный камертон. При механическом воздействии на такой резонатор, собственная частота его колебаний увеличивается или уменьшается в зависимости от приложенной силы и измеряется цифровым частотомером. Обычный камертон используется для настройки музыкальных инструментов благодаря высокой стабильности и точности собственной частоты его колебаний. Весовой датчик Tuning-Fork не имеет себе равных по этим параметрам, и при построении весов на его основе не нужен высокоточный АЦП. Кроме того, чувствительность такого датчика в 50 раз превышает чувствительность тензодатчиков.
2. Устройство и принцип работы датчикаTuning-Fork
Рассмотрим более детально устройство датчика |
 |
| Говоря в общем, собственная частота колебаний частота колебаний простейшего акустического резонатора, показанного на рис. 1 рассчитывается по формуле: |
А и В – это константы, определяемые геометрическими размерами резонатора (L, b и t на рис.1), плотностью материала и модулем Юнга. Резонатор металлический, поэтому его геометрические размеры и плотность стабильны. Благодаря применению материала с высокой упругостью удаётся получить стабильное значение модуля Юнга. Температурная стабильность резонатора имеет значения, меньшие, чем 10ppm/˚С. Следовательно, собственная частота колебаний такого резонатора достаточно стабильна для достижения высочайшей точности, не ухудшаемой деформациями материала, изменениями напряжённости магнитного поля, дрейфом и шумами АЦП.
Используя эти принципы простейшего акустического резонатора, датчик Tuning-Fork выполнен, как два обычных камертона, соединённых между собой – это позволяет проще добиться требуемых характеристик. Благодаря рычагу несложно измерять вес F. На рис. 2 показано устройство датчика, а на рис. 3 механизм весов.
При воздействии нагрузки W на чашку (весовую платформу), при помощи рычажного механизма вес преобразуется в пропорциональную ему силу F, воздействующую на датчик. |
 |
 |
Весы работают следующим образом (рис. 4):
В нижней части датчика расположены два пьезокерамических элемента, подключенные соответственно ко входу и выходу усилителя. Один элемент является возбудителем механических колебаний резонатора, а другой их приёмником. Выходное сопротивление элементов составляет несколько сот КОм и это немного ниже сопротивления тензодатчика; и превосходит выходное сопротивление электромагнитного датчика компенсационного типа более, чем в 100 раз. Кроме того, мощность, потребляемая таким датчиком, крайне низка. Вообще, такая система отличается очень низким энергопотреблением за счёт простоты её электрической схемы (отсутствие АЦП и т. п.), что является существенным плюсом при построении весов специального назначения, например, взрывозащищённых. |
 |
На рис. 5 схематично показано устройство весов на основе датчика Tuning-Fork. Электронные весы состоят из механической части, включающей в себя датчик Tuning-Fork, платы генератора, необходимого для возбуждения датчика и основной платы микрокомпьютера.
Ниже приведены общие характеристики электронных весов:
- Воспроизводимость: Очень высокая, т. к. при работе системы не возникает деформаций металла.
- Линейность: Несмотря на то, что характеристика датчика нелинейна, благодаря её высокой стабильности она может быть линеаризована микрокомпьютером. Нелинейность весов, таким образом, минимальна.
- Температурные характеристики: Очень хорошие, т . к. большая часть механизма весов выполнена из прочного и упругого металла.
- Выделение тепла: очень незначительное из-за малой мощности, потребляемой весами, датчик не требует прогрева перед началом работы.
- Стабильность характеристик во времени: великолепная, благодаря высоким характеристикам сплава, из которого выполнен датчик.
|
 |
3. Весы на основеTuning-Fork превосходят ожидания
Как уже было отмечено, датчик Tuning-Fork имеет ряд преимуществ перед электромагнитным датчиком компенсационного типа и перед тензодатчиком. С другой стороны, тензодатчики и электромагнитные датчики компенсационного типа в течение долгого времени широко применяются при изготовлении электронных весов общего назначения и высокоточных электронных весов .
Однако, датчик Tuning-Fork, существенно отличаясь от обсуждаемых датчиков, благодаря его уникальным характеристикам, полностью изменяет концепции построения электронных весов. Например, для возбуждения акустического резонатора требуется очень малая мощность, и весы, построенные с применением датчика Tuning-Fork требуют очень малого времени прогрева, а весы, чувствительным элементом которых являются тензодатчики и электромагнитные датчики компенсационного типа требуют от 10 до 60 минут прогрева. Мы уверены в высоких эксплуатационных характеристиках датчика Tuning-Fork и прогнозируем ему блестящее будущее.
Датчик имеет высокую степень защиты от ударов, и статистические данные говорят о том, что весы Tuning-Fork значительно превосходят другие системы по надёжности. Поскольку информацию об усилии, приложенном к резонатору несёт частота, т. е. по сути цифровой сигнал, обработка сигнала упрощается и убыстряется во много раз. Нет необходимости упоминать о том, что скорость стабилизации и частота обновления показаний весов при этом значительно выше, чем при использовании других систем.
В качестве заключительного, но не последнего аргумента в пользу Tuning-Fork заметим, что дрейф нулевой точки и дрейф чувствительности при изменении температуры практически сведены к нулю. Это было экспериментально доказано в процессе работы с телескопом Subaru, и это проверено теми, кто эксплуатирует весы SHINKO в течение длительного времени. Это значит, что прогрев и калибровка (юстировка) весов не необходимы в процессе эксплуатации, а требуются только при первой установке весов на новом месте для устранения погрешности, вызываемой изменением ускорения свободного падения в данной точке. Мы учитываем все современные и будущие требования к весовому оборудованию и не останавливаемся ни на минуту в улучшении характеристик нашей продукции. |
|
|
|
