Спосіб може бути використаний в різних галузях промисловості і транспорту для визначення маси сипучих і наливних вантажів. Спосіб полягає в вимірі вертикального переміщення вантажоприймальної платформи в процесі її завантаження або розвантаження не менше, ніж в трьох станах завантаженості транспортного засобу, а також в додаткових вимірах вертикального переміщення платформи при накладенні еталонного вантажу заданої маси в кожному з станів завантаженості. Маса вантажу в транспортному засобі розраховується за формулою, виведеною на підставі закону Гука. Перевагами способу є висока точність вимірювань, обумовлена точністю виміру маси еталонного вантажу і похибкою індикатора вертикального переміщення платформи, низька вартість вимірювального пристрою і устаткування в порівнянні зі стаціонарними платформеними вагами, відсутність операцій періодичної градуювання і повірки, а також можливість зважування вантажу безпосередньо в місцях його навантаження або вивантаження, не обладнаних стаціонарними платформеними вагами. 2 з.п. ф-ли, 1 мул.
Винахід відноситься до ваговимірювальної техніки і може бути використано в різних галузях промисловості і транспорту для визначення маси сипучих (пісок, борошно, цемент і т.п.) і наливних (зріджений газ, нафтопродукти, молоко, хімічні реактиви тощо) вантажів при навантаженні або вивантаженні транспортного засобу.
Відомі спосіб і пристрій для зважування транспортних засобів, засновані на реєстрації вихідних сигналів декількох горизонтально рознесених силовимірювальних перетворювачів, встановлених між вантажоприймальною платформою і фундаментом. Верхній кінець кожного перетворювача утримує платформу, а нижній знаходиться на опорному елементі фундаменту [1]. При реалізації даного способу масу вантажу визначають шляхом зважування заповненого і спорожнення транспортного засобу і віднімання отриманих величин: M = Мп - Мг. де М - маса вантажу в транспортному засобі; Мп - маса заповненого вантажем транспортного засобу; Мг - маса спорожнення транспортного засобу (маса тари).
Недоліком вказаного способу є громіздкість і висока вартість необхідного для його реалізації обладнання (спорудження монолітного фундаменту, необхідність періодичної профілактики, градуювання і повірки силовимірювальних перетворювачів), а також великі витрати часу і коштів на пересування транспортного засобу від місця навантаження або вивантаження до весоизмерительного пристрою.
З відомих способів найбільш близьким за технічною сутністю до винаходу є спосіб, заснований на вимірюванні вертикального переміщення вантажоприймальної платформи транспортного засобу щодо його осей за рахунок деформації пружин, встановлених між платформою і осями (прототип) [2]. Вертикальне переміщення платформи вимірюється датчиком індукційного типу, який виробляє електричний сигнал, що характеризує відносне положення двох елементів датчика, пов'язаних з платформою і з віссю транспортного засобу. Відомі також технічні рішення по реалізації даного способу з використанням тензометричного [3]. резистивного [4], магнітного [5] і оптичного [6] датчиків переміщення.
Недоліками відомого способу є необхідність градуювання і періодичної повірки датчиків переміщення, а також низька точність зважування, обумовлена тим, що коефіцієнт жорсткості пружин може змінюватися в процесі експлуатації транспортного засобу і в результаті сезонних перепадів температури.
Метою даного винаходу є підвищення точності визначення маси вантажу, здешевлення вимірювального обладнання і забезпечення можливості зважування вантажу безпосередньо в місцях його навантаження або вивантаження, не обладнаних стаціонарними платформеними вагами.
Для досягнення вирішення поставленої мети в способі визначення маси вантажу в транспортному засобі, що включає вимір вертикального переміщення вантажоприймальної платформи в процесі навантаження або вивантаження транспортного засобу, вимір вертикального переміщення виробляють не менше, ніж в трьох станах завантаженості транспортного засобу, і додатково проводять вимір вертикального переміщення платформи при накладенні еталонного вантажу заданої маси в кожному з станів завантаженості, а масу вантажу розраховують по форм ле: де М - маса вантажу в транспортному засобі; m - маса еталонного вантажу;
n - кількість станів завантаженості транспортного засобу, в яких проводять вимірювання вертикального переміщення;
i - вертикальне переміщення платформи при накладенні еталонного вантажу в i-му стані завантаженості;
di = (i + i-1) / 2 - середнє вертикальне переміщення платформи при накладенні еталонного вантажу між i і i-1-м станом завантаженості;
- максимальна величина вертикального переміщення платформи при повній вивантаженні;
lo - відстань від базової точки платформи до рівня дорожнього полотна для заповненого транспортного засобу;
ln - відстань від базової точки платформи до рівня дорожнього полотна для порожнього транспортного засобу;
дощенту 13 для порожньої цистерни;
Li = (Li -Li-1) - зміна відстані від базисної точки платформи до рівня дорожнього полотна між i і i-1-м станом завантаженості;
M - абсолютна похибка визначення маси вантажу М.
Відносну похибку визначення маси вантажу M розраховують за формулою;
де - відносна похибка вимірювання величини вертикального переміщення l;
- відносна похибка вимірювання маси еталонного вантажу;
- відносна похибка вимірювання середнього вертикального переміщення d.
Тут L, m, d - абсолютні похибки вимірювання відповідних величин L, m, d (передбачається, що d = d1 = = d2 =. = Dn = dmin; L = L1 = L2 =. = Ln = Lmax).
Вибір маси еталонного вантажу m виробляють за формулою:
де
M * - очікувана маса вантажу (вантажопідйомність транспортного засобу, зазначена в його паспорті);
- необхідне значення відносної похибки визначення маси вантажу М;
- реальні значення відносних похибок вимірювання величин L, m і d.
На кресленні представлена схема, яка пояснює сутність способу (на прикладі цистерни з наливним вантажем). Цистерна 1 з наливним вантажем 2, забезпечена зливним патрубком 9, укріплена на вантажо-приймальній платформі 3, яка через систему ресор 5 спирається на колісні пари 4, встановлені на рейкової решітці (рейки 6 і шпали 7), що знаходиться на земляному полотні 8. Еталонний вантаж 10 за допомогою підйомного пристрою 11 може бути накладено на цистерну 1. Для вимірювання вертикального переміщення платформи 3 використовується датчик (індикатор) переміщення 12, що спирається нижнім кінцем на підставу 13, жорстко пов'язане з рейками 6, а верхнім кінцем - на нижню площину А- А платформи 3.
Спосіб реалізується в такий спосіб. Для кожного з i = 0, 1, 2. n станів завантаженості цистерни 1 наливним вантажем 2 (i = 0 відповідає повному завантаженні цистерни, i = n відповідає повністю спорожнені цистерні) вимірюють відстань li від базисної точки в площині А-А платформи 3 до підстави 13 за допомогою датчика 12 (див. креслення). Ці вимірювання проводять в процесі спорожнення (або заповнення) цистерни 1 наливним вантажем 2 через патрубок 9. Додатково для кожного з i = 1,2. n станів завантаженості цистерни 1 вимірюють датчиком 12 вертикальне переміщення i (i = 0,1,2. n) базисної точки в площині А-А при накладенні на цистерну 1 еталонного вантажу 10 за допомогою підйомного пристрою 11 (см.чертеж). В результаті вимірювань отримують два ряди величин:
li (i = 0,1,2. n) - відстані від базисної точки в площині А-А платформи 3 дощенту 13 при різних станах завантаженості цистерни;
i (i = 0,1,2. n) - вертикальні переміщення платформи при накладенні еталонного вантажу для різних станів завантаженості цистерни.
В рамках моделі пружної деформації залежність вертикального переміщення платформи при стисненні ресорних пружин від впливу навантаження описується законом Гука [7]:
де
- відносна деформація пружин (вертикальне переміщення);
xo - довжина пружин у відсутності навантаження;
x - довжина пружин при навантаженні;
E - модуль пружності пружин;
F - M g - діюча сила (вага навантаження), g = 9,81m c -2 - прискорення вільного падіння.
Вже згадана система включає цілий ряд пружних елементів, що зазнають деформацію при навантаженні цистерни. Це система ресор 5, пружні балки вантажоприймальної платформи 3, рейки 6, земляне полотно 8 і т.п.
З огляду на це закон Гука слід записати у вигляді:
де Ej - модулі пружності окремих елементів системи.
Оскільки визначення окремих складових Ej важко, доцільно замінити їх якимось еквівалентним модулем пружності, припускаючи адитивність окремих його складових:
При заданому E. який можна визначити, наприклад, для кожного транспортного засобу шляхом градуювання за допомогою стаціонарних залізничних ваг, визначення маси вантажу М зводиться до вимірювання вертикального переміщення платформи і розрахунку М за формулою:
де
- вертикальне переміщення при повній вивантаженні (або навантаженні) цистерни;
- еквівалентний коефіцієнт жорсткості пружної системи (визначається градуировкой).
Використання формули (8) призводить до великих погрішностей у визначенні маси вантажу, обумовленим наступними факторами:
1. Жорсткість ресор K неоднакова для різних транспортних засобів.
2. Жорсткість ресор K неоднакова навіть для одного і того ж транспортного засобу при сезонних змінах температури (від - 40 o C до +40 o C).
3. Величина K може змінюватися в результаті тривалої експлуатації транспортного засобу (деформація, "втома" металу і т.п. ефекти).
4. Величина K може мати нелінійну залежність від стану завантаженості.
5. При використанні формули (8) необхідно проводити вимірювання вертикального переміщення платформ на одному і тому ж ділянці залізничної колії, що не завжди зручно при вантажно-розвантажувальних операціях.
Пропонований спосіб повністю усуває зазначені недоліки. При реалізації даного способу еквівалентний коефіцієнт жорсткості K визначається для кожного діапазону пружної деформації. причому з метою підвищення точності його визначення береться середнє його значення між i і i-1-м станом завантаженості
де di = (i + i-1) / 2 - середнє вертикальне переміщення платформи при накладенні еталонного вантажу між i і i-1-м станом завантаженості.
Підставляючи (9) і (8), отримаємо робочу форму для визначення маси вантажу М:
тут Li = li -li-1 - вертикальне переміщення цистерни між i і i-1 станами завантаженості.
При реалізації даного способу кількість станів завантаженості n, в яких проводять вимірювання вертикального переміщення li. i. має бути не менше трьох з метою контролю виконання закону Гука (чим більше n, тим точніше результат визначення М). Разом з тим для будь-якого стану завантаженості можна визначити масу вантажу, залитого або злитого до даного моменту по виміряної величиною l1.
Пропонований спосіб має наступні переваги:
1. Висока точність вимірювання, обумовлена точністю виміру маси еталонного вантажу і похибкою індикатора вертикального переміщення.
2. Низька вартість вимірювального пристрою і устаткування в порівнянні зі стаціонарними платформеними вагами.
3. Відсутність операцій періодичної градирування і повірки.
4. Можливість зважування вантажу безпосередньо в місцях його навантаження або вивантаження, не обладнаних стаціонарними платформеними вагами.
Похибка визначення маси вантажу М знаходиться за стандартною методикою [8] дифференцированием вираження (10).
Припустимо, що
d = d1 = d2 =. = D3 = dmin
L = L1 = L2 =. = L3 = Lmax
В цьому випадку отримаємо верхню оцінку похибки
- относітельняае похибки вимірювання m, L, d
і тоді
де
- відносні похибка визначення маси вантажу.
Знайдемо вираз для вибору маси еталонного вантажу. Замінюючи в (14) величину d по формулі:
отримаємо:
З (16) висловимо величину m:
де
М * - очікувана маса вантажу (вантажопідйомність транспортного засобу);
- необхідна відносна похибка визначення маси вантажу;
- реальні значення відносних похибок вимірювання L і m відповідно.
Як випливає з (16), чим вище m, тим точніше буде результат визначення маси вантажу М. Проте надмірне збільшення m призведе до необхідності використання громіздкого пристрої для накладання m.
Формула (17) дозволяє оптимально вибрати один з основних параметрів для реалізації запропонованого способу - масу еталонного вантажу m.
Джерела інформації:
1. Заявка N 2125175, Великобританія, кл. 6016 19/02. Платформні ваги. Публікація 84.02.29 N 4957.
3. Заявка N 1327697, Великобританія, кл. 6016 12/12. Публікація 73.08.22. N 4404.
4. Заявка N 1288386, Великобританія, кл. 6016 19/12. Електричний спосіб вимірювання навантаження транспортного засобу. Публікація 72.09.13.
5. Заявка N 1292816, Великобританія, кл. 6016 19/12. Ваги. Публікація 72.10.11.
6. Патент США N 3867990, кл. 6016 19/08. Публікація 75.02.25, т. 931, N 4.
7. Савельєв І.В. Курс загальної фізики, т. 1.-М. Наука, 1982, 432 с.
8. Касандрова О.Н. Лебедєв В.В. Обробка результатів спостережень. -М. Наука, 1970, 104 с.
1. Спосіб визначення маси вантажу в транспортному засобі, заснований на вимірюванні вертикального переміщення вантажоприймальної платформи щодо рівня дорожнього полотна, що відрізняється тим, що величину вертикального переміщення вимірюють в n станах завантаженості транспортного засобу, де n 3, і додатково проводять вимірювання вертикального переміщення при накладенні еталонного вантажу заданої маси в цих же n станах завантаженості, а масу вантажу M обчислюють за формулою
де m - маса еталонного вантажу;
n - кількість станів завантаженості транспортного засобу, в яких проводять вимірювання вертикального переміщення;
di - середній вертикальне переміщення вантажоприймальної платформи при накладенні еталонного вантажу в i і (i - 1) стан завантаженості;
Li - вертикальне переміщення вантажоприймальної платформи між i і (i - 1) станами завантаженості;
M - абсолютна похибка визначення маси M вантажу.
2. Спосіб за п.1, що відрізняється тим, що додатково розраховують відносну похибку визначення маси M вантажу за формулою
де середні відносні похибки вимірювання Li. m, di відповідно.
3. Спосіб за п.1, що відрізняється тим, що масу m еталонного вантажу визначають за формулою
де M * - вантажопідйомність транспортного засобу;
задана відносна похибка визначення маси M вантажу.