izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2025-3-49-58izmertech-2302Research ArticleМЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯMECHANICAL MEASUREMENTSМетоды определения массы грузов в движении с использованием однокомпонентного тензометрического динамометраMethods for determining the mass of objects in motion using a one-component strain-gauge dynamometerhttps://orcid.org/0000-0003-2266-373XГлазковС. А.GlazkovS. A.

Сергей Александрович Глазков

Жуковский, Московская обл.

Sergey A. Glazkov

Zhukovsky, Moscow re

sergey.glazkov@tsagi.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4186-588XГорбушинА. Р.GorbushinA. R.

Антон Роальдович Горбушин

Жуковский, Московская обл.

Anton R. Gorbushin

Zhukovsky, Moscow re

gorbushin@tsagi.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2955-6219КозикА. Е.KozikA. E.

Александр Евгеньевич Козик

Жуковский, Московская обл.

Alexander E. Kozik

Zhukovsky, Moscow re

kozik.ae@phystech.eduКрапивинаЕ. А.KrapivinaE. A.

Екатерина Александровна Крапивина

Жуковский, Московская обл.

Ekaterina A. Krapivina

Zhukovsky, Moscow re

ekaterina.krapivina@tsagi.ruСеменовА. В.SemenovA. V.

Александр Владимирович Семенов

Жуковский, Московская обл.

Alexander V. Semenov

Zhukovsky, Moscow re

aleksandr.semenov@tsagi.ruЯкушевВ. А.YakyshevV. A.

Вячеслав Анатольевич Якушев

Жуковский, Московская обл.

 

Vyacheslav A. Yakyshev

Zhukovsky, Moscow re

vyacheslav.yakushev@tsagi.ruЦентральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. ЖуковскогоРоссияCentral Aerohydrodynamic InstituteRussian Federation2025140720257434958Copyright © Глазков С.А., Горбушин А.Р., Козик А.Е., Крапивина Е.А., Семенов А.В., Якушев В.А., 20252025Глазков С.А., Горбушин А.Р., Козик А.Е., Крапивина Е.А., Семенов А.В., Якушев В.А.Glazkov S.A., Gorbushin A.R., Kozik A.E., Krapivina E.A., Semenov A.V., Yakyshev V.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.izmt.ru/jour/article/view/2302

Рассмотрены вопросы повышения точности определения массы грузов в движении. Массу грузов в движении рассчитывают по результатам измерений нестационарной силы с помощью однокомпонентных тензометрических динамометров. Показано, что существующие методы динамического взвешивания обеспечивают измерение нестационарной силы с погрешностью более 10 %. Высокая погрешность измерений силы обусловлена тем, что с увеличением скорости перемещения груза точность измерений динамических нагрузок сильнее зависит от динамических характеристик однокомпонентных тензометрических динамометров. Для повышения точности определения массы требуется разработать новые методы измерения силы, которые устраняют систематическую погрешность, обусловленную собственной динамикой динамометра. Разработаны два метода определения массы груза, движущегося с высокой скоростью по платформе однокомпонентного тензодинамометра. Масса грузов определена в широком диапазоне частот динамометра, включая собственную частоту. Для применения первого метода требуются показания динамометра в окрестности заданного момента времени для вычисления первой и второй производных показаний динамометра по времени и его динамические коэффициенты, полученные в лабораторных условиях. Для применения второго метода необходимо предварительно найти собственную частоту колебаний динамометра с платформой, а затем частоту колебаний платформы с движущимся грузом. Далее полученную при реализации первого или второго метода измерительную информацию используют для расчёта массы груза. Средняя погрешность определения массы первым методом составила 2,8 %, вторым методом – 4,1 %. При больших скоростях перемещения груза погрешность определения массы обоими методами составила около 6 %. Методика определения массы движущегося груза двумя предложенными методами будет полезна при создании весоизмерительных систем, используемых в различных отраслях промышленности, торговли, сельского хозяйства и др.

Increasing accuracy of weight-in-motion measurements is considered. Mass of moving objects is calculated through the measurement of unsteady force with the help of one-component strain-gauge dynamometers. It is shown that existing methods of dynamic weighing enable the measurement of non-stationary forces with an uncertainty exceeding 10 %. Such high error is related to the fact that, with higher speed, the accuracy of dynamic load measurements becomes more dependent on dynamical characteristics of the one-component strain-gauge dynamometer. New methods of dynamic load measurement eliminating the systematic error related to the dynamometer’s own dynamics have to be developed to increase mass determination accuracy. Two methods for weight-in-motion measurement of the mass of loads moving on the sensitive platform of a one-component strain-gauge dynamometer at high velocities are developed. Mass determination is carried out over a wide frequency range of the dynamometer, including the natural frequency. In order to apply the first method, only the dynamometer readings in the vicinity of the given point of time for calculating first and second time derivatives of the readings and the dynamical parameters of the dynamometer determined in laboratory conditions are required. To use the second method, it is necessary to first determine the natural frequency of the dynamometer with a platform, and then the frequency of the platform with the moving load. Then, measurement data obtained through methods one or two are used for calculating the mass. Average error in determining the mass using the first method was 2.8 %, and using the second method – 4.1 %. At the same time, the error did not exceed 6.0 %. The developed technology for determining the mass of moving objects can be implemented in weighing hardware for the use in many areas of industry, trade, agriculture and other.

определение массыдвижущийся грузоднокомпонентный тензометрический динамометризмерение нестационарной силысобственная частотакоэффициент жёсткостикоэффициент демпфированияпогрешность измеренияверификацияmass determinationmoving objectone-component strain-gauge dynamometerunsteady load measurementnatural frequencystiffness coefficientdamping coefficientmeasurement uncertaintyverificationРабота выполнена при поддержке инновационного проекта ФАУ “ЦАГИ” «Измерение массы грузов в движении».This work was supported by TsAGI innovative project “Measuring the mass of objects in motion”.ReferencesMeymand S. Z., Ahmadian M. Design, development, and calibration of a force-moment measurement system for wheel– rail contact mechanics in roller rigs. Measurement, 81, 113–122 (2016). http://dx.doi.org/10.1016/j.measurement.2015.12.012Meymand S. Z., Ahmadian M. Design, development, and calibration of a force-moment measurement system for wheel– rail contact mechanics in roller rigs. Measurement, 81, 113–122 (2016). http://dx.doi.org/10.1016/j.measurement.2015.12.012Xiaodi Xu, Shanchao Sun, Liubin Niu, Zaitian Ke, Fei Yang, Xin Xiong. An approach for the estimation of vertical wheel/rail force using dynamic signals. Vehicle System Dynamics, 62(4), 1022–1036 (2024). https://doi.org/10.1080/00423114.2023.2214256Xiaodi Xu, Shanchao Sun, Liubin Niu, Zaitian Ke, Fei Yang, Xin Xiong. An approach for the estimation of vertical wheel/rail force using dynamic signals. Vehicle System Dynamics, 62(4), 1022–1036 (2024). https://doi.org/10.1080/00423114.2023.2214256Сенянский М. В., Гавриленков С. И. Метод оценки точности автоматических измерений весовых параметров транспортных средств при максимальных скоростях и осевых нагрузках. Приборы, (9(255)), 44–54 (2021). https://www.elibrary.ru/kjjaaqSenyanskii M. V., Gavrilenkov S. I. Method of assessing the accuracy of automatic measurements of weight parameters of motor vehicles at maximum speeds and axle loads. Instruments, (9(255)), 44–54 (2021). (In Russ.) https://www.elibrary.ru/kjjaaqD. L. Beshears, G. J. Capps, J. K. Jordan, J. V. Laforge, J. D. Muhs, R. N. Nodine, M. B. Scudiere, C. P. White. US Patent no. WO 98/40705 (17 September 1998).D. L. Beshears, G. J. Capps, J. K. Jordan, J. V. Laforge, J. D. Muhs, R. N. Nodine, M. B. Scudiere, C. P. White. US Patent no. WO 98/40705 (17 September 1998).Burnos P., Gajda J., Sroka R., Wasilewska M., Dolega C. High accuracy weigh-in-motion systems for direct enforcement. Sensors, 21, 8046 (2021). https://doi.org/10.3390/s21238046Burnos P., Gajda J., Sroka R., Wasilewska M., Dolega C. High accuracy weigh-in-motion systems for direct enforcement. Sensors, 21, 8046 (2021). https://doi.org/10.3390/s21238046Socha A., Izydorczyk J. Strain gauge calibration for high speed weight-in-motion station. Sensors, 24, 4845 (2024). https://doi.org/10.3390/s24154845Socha A., Izydorczyk J. Strain gauge calibration for high speed weight-in-motion station. Sensors, 24, 4845 (2024). https://doi.org/10.3390/s24154845Солнцев К. Е., Рябцев А. Н. Дозаторы и бункерные весы. Приборы, (10(244)), 35–44 (2020). https://www.elibrary.ru/qcqkmuSolntsev K. E., Ryabtsev A. N. Dispensers and hopkin scales. Instruments, (10(244)), 35–44 (2020). (In Russ.) https://www.elibrary.ru/qcqkmuMee D. J. Dynamic calibration of force balances for impulse hypersonic facilities. Shock Waves, 12, 443–455 (2003). https://doi.org/10.1007/s00193-003-0181-6Mee D. J. Dynamic calibration of force balances for impulse hypersonic facilities. Shock Waves, 12, 443–455 (2003). https://doi.org/10.1007/s00193-003-0181-6Quix H., Ann-Katrin Hensch. Dynamic measurements on the NASA CRM model tested in ETW. AIAA 2015-1097. 53rd AIAA Aerospace Sciences Meeting, 5–9 January 2015, Kissimmee, Florida. https://doi.org/10.2514/6.2015-1097Quix H., Ann-Katrin Hensch. Dynamic measurements on the NASA CRM model tested in ETW. AIAA 2015-1097. 53rd AIAA Aerospace Sciences Meeting, 5–9 January 2015, Kissimmee, Florida. https://doi.org/10.2514/6.2015-1097Dontu A. I., Barsanescu P. D., Andrusca L., Danila N. A. Weigh-in-motion sensors and traffic monitoring systems – Sate of the art and development trends. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 997(1), 012113 (2020). https://doi.org/10.1088/1757-899X/997/1/012113Dontu A. I., Barsanescu P. D., Andrusca L., Danila N. A. Weigh-in-motion sensors and traffic monitoring systems – Sate of the art and development trends. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 997(1), 012113 (2020). https://doi.org/10.1088/1757-899X/997/1/012113Gorbushin A. R., Bolshakova A. A. Unsteady axial force measurement by the strain gauge balance. Measurement, 152, 107381 (2020). https://doi.org/10.1016/j.measurement.2019.107381Gorbushin A. R., Bolshakova A. A. Unsteady axial force measurement by the strain gauge balance. Measurement, 152, 107381 (2020). https://doi.org/10.1016/j.measurement.2019.107381Горбушин А. Р. Способ определения нестационарной силы и устройство для его реализации: пат. RU 2743778 C1. Изобретения. Полезные модели. № 6 (2021).Gorbushin A. R. Patent RU 2743778 C1, Inventions. Utility models, no. 6 (2021).Лойцянский Л. Г., Лурье А. И. Курс теоретической механики. Наука, Москва (1983).Loitsyaenskii L. G., Lur’e A. I. Course of theoretical mechanics. Moscow, Nauka (1983). (In Russ.)Горбушин А. Р. Метод учёта влияния веса модели и веса динамометра на показания тензометрических весов. Учёные записки ЦАГИ, XL(4), 63–70 (2009). https://www.elibrary.ru/KWKFMFGorbushin A. R. A method for taking into account the influence of the model and dynamometer weights on the straingauge balance readings. TsAGI Science Journal, 40(4), 485–495 (2009). https://doi.org/10.1615/TsAGISciJ.v40.i4.70Горбачев Н. А., Горбушин А. Р., Крапивина Е. А., Судакова И. А. Применение акселерометров для измерения углов тангажа и крена в аэродинамическом эксперименте. Измерительная техника, (8), 25–28 (2012).Gorbachev N. A., Gorbushin A. R., Krapivina E. A., Sudakova I. A. Use of accelerometers for measurement of pitch and bank angles in an aerodynamic experiment. Measurement Techniques, 55(8), 883–889 (2012). https://doi.org/10.1007/s11018-012-0054-4Буров В. В., Волобуев В. С., Глазков С. А., Горбушин А. Р., Чумаченко Е. К. Измерительно-вычислительный комплекс трансзвуковой аэродинамической трубы Т-128. Датчики и системы, (5(132)), 20–24 (2010).Burov V. V., Volobuev V. S., Glazkov S. A., Gorbushin A. R., Chumachenko E. K. Measuring and computational system of TsAGI T-128 transonic wind tunnel. Automation and Remote Control, 72, 634–641 (2011). https://doi.org/10.1134/S0005117911030143Анохина Е. Н. и др. Способ определения массы движущегося объекта (варианты): пат. RU 2805536 C1. Изобретения. Полезные модели, № 29 (2023).Anokhina E. N. et al., Patent RU 2805536 C1, Inventions. Utility models, no. 29 (2023).Анохина Е. Н. и др. Способ определения массы движущегося объекта (варианты): пат. RU 2805127 C1. Изобретения. Полезные модели, № 29 (2023).Anokhina E. N. et al., Patent RU 2805127 C1, Inventions. Utility models, no. 29 (2023).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.