Вимірювання механічних сил та тиску

Переважна більшість силовимірювальних пристроїв (динамометрів) основана на методі перетворення вимірюваної сили в механічні напруження в матеріалі пружного перетворювального елемента і його деформацію, котрі за допомогою тензорезистивних, індуктивних, п'єзоелектричних, магнітопружних чи інших вторинних перетворювачів перетворюються в електричний сигнал або зміну вихідного електричного параметра.

Залежно від значення вимірюваної сили як первинні перетворювачі можуть використовуватись стержневі пружні елементи, пружні кільця, балкові пружні елементи. Вторинними перетворювачами динамометрів з механічними пружними перетворювачами сили в деформацію є, переважно, тензорезистивні перетворювачі, а вимірювальні кола - мостові. Такі динамометри призначаються для вимірювань з похибкою 1 ...2 %.

Незважаючи на порівняно низьку точність (сумарна похибка вимірювання сили становить 2...3 %), широко застосовуються для вимірювань великих сил (Ю⁵...10⁶Н) в складних умовах динамометри з магніто-пружним перетворювальним елементом, які відрізняються простотою конструкції, високою надійністю, значною потужністю вхідного сигналу. Магнітопружні перетворювачі виготовляють, переважно, диференціальними. Один з перетворювальних елементів є робочим, а ідентичний йому інший перетворювальний елемент, на який не діють вимірювальні зусилля, служить для компенсації початкової індуктивності робочого перетворювального елемента, а також для компенсації впливу зовнішніх чинників, зокрема температури довкілля, частоти джерела живлення.

Основою п'єзоелектричних динамометрів єп'єзоелектричні перетворювачі сили в електричний заряд. Труднощі, що виникають під час побудови п'єзоелектричних динамометрів, зумовлені електростатичною природою зарядів п'єзоелектричного перетворювача: їх малим значенням, тенденцією до швидкого стікання через опір ізоляції та вхідний опір підсилювача. Надзвичайно мала вихідна потужність при великому опорі п'єзодавача вимагає використання високочутливих підсилювачів з дуже великим вхідним опором. Тому певний час п'єзодинамометри застосовувались лише для вимірювання змінних сил (тисків). Використання в п'єзодинамометрах підсилювачів заряду дає змогу в тисячі разів зменшити стікання заряду, а, отже, тривало підтримувати значення вихідного сигналу, що дало можливість створити п'єзодинамометри і для вимірювань сталих сил.

До переваг п'єзодинамометрів належить їх висока чутливість, висока швидкодія. Зведена похибка п'єзодинамометрів знаходиться в межах 1 %.

Широкий діапазон вимірюваних тисків - від часток Па до майже 10¹⁰ Па зумовив і велику різноманітність методів та засобів їх вимірювань. Значна частина методів основана на попередньому перетворенні тиску в механічне напруження, деформацію чи переміщення за допомогою пружних перетворювальних елементів з наступним вимірюванням механічного напруження, деформації чи переміщення. В інших засобах використовуються фізичні ефекти, які дають змогу безпосередньо перетворювати вимірюваний тиск в електричну величину, наприклад, у заряд, як у п'єзоелектричних манометрах, чи в зміну вихідного електричного опору в результаті баричного тензоефекту.

В ємнісних перетворювачах тиску чутливими елементами, що перетворюють вимірюваний тиск в переміщення, є мембрани. Одночасно вони можуть бути використані як рухомі електроди. Ємнісні перетворювачі звичайно мають верхню границю 200...800 Па при чутливості 0,5...1,0 пФ/Па та початковій ємності 10...20 пФ. Основна їх похибка становить 1...2 %.

Для вимірювань тиску з попереднім його перетворенням в переміщення широко застосовуються вторинні прилади з диференціально-трансформаторними вимірювальними колами: як показуючі т.КПД, так і самописні т.КСД. На рис. 3 наведена спрощена схема манометра з первинним перетворювачем тиску в переміщення у вигляді одновиткової трубчатої пружини (трубки Бурдона) та вторинного приладу т.КСД. Переміщення вільного кінця трубки Бурдона, пропорційне до вимірюваного тиску, передається рухомому осердю вхідного диференціально-трансформаторного перетворювача ДТП-1. Прилад т.КСД містить також аналогічний вхідному компенсувальний диференціально-трансформаторний перетворювач ДТП-2, осердя якого переміщається з допомогою профільного кулачкового механізму KM, механічно зв'язаного з віссю реверсного двигуна РД, а також електронний фазочутливий підсилювач. З віссю обертання кулачкового механізму також механічно зв'язана стрілка відлікового пристрою ВдП. Обмотки збудження ДТП-1 та ДТП-2 з'єднані послідовно і живляться від спільного джерела змінної напруги. Вихідні обмотки ДТП увімкнені послідовно і зустрічно.

Для настроювання системи та забезпечення взаємозамінності первинних перетворювачів може бути передбачена можливість регулювання вихідної напруги ДТП для кінцевого значення діапазону ,вимірювання.

Рис 3. Схема манометра з диференціально-трансформаторними перетворювачами

Підсилений різницевий сигнал ΔU подається на обмотку керування реверсивного двигуна РД і викликає обертання його ротора в такому напрямку, щоб переміщення осердя компенсувального ДТП-2 дало зменшення різницевої напруги ΔU аж поки вона дорівнюватиме нулю. Проградуювавши, шкалу відлікового пристрою в одиницях тиску, будемо вимірювати його зміну.

Основна похибка таких манометрів не перевищує 1%.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Вимірювання механічних напружень	\|	Вимірювання крутних моментів

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.004 сек.