"Dokładność jest grzecznością królów!". W dzisiejszych czasach ten średniowieczny francuski aforyzm staje się coraz bardziej aktualny. Przyrządy oparte na technologii tensometrycznej są coraz częściej stosowane do precyzyjnych zadań pomiarowych w przemyśle i gospodarstwach domowych.
Spis treści
Co to jest technologia tensometryczna i do czego służą czujniki wagowe?
Tensometr (z łac. tensus - naprężony) to metoda i technika pomiaru stanu naprężenia-odkształcenia mierzonego obiektu lub konstrukcji. Chodzi o to, że nie można bezpośrednio zmierzyć naprężenia mechanicznego, dlatego zadanie polega na pomiarze odkształcenia obiektu i obliczeniu naprężenia za pomocą specjalnych technik uwzględniających właściwości fizyczne materiału.
Tensometry wykorzystują efekt odkształcenia, czyli właściwość materiałów stałych polegającą na zmianie ich wytrzymałości pod wpływem różnych odkształceń. Tensometry to urządzenia, które mierzą odkształcenie sprężyste ciała stałego i przekształcają je w sygnał elektryczny. Proces ten zachodzi poprzez zmianę rezystancji przewodnika czujnika w miarę jego rozciągania i ściskania. Stanowią one podstawowy element urządzeń do pomiaru odkształceń w ciałach stałych (np. częściach maszyn, konstrukcjach, budynkach).
Budowa i zasada działania
Sercem tensometru jest czujnik tensometryczny, wyposażony w specjalne styki przymocowane do przedniej części komory pomiarowej. W trakcie procesu pomiarowego czułe styki panelu dotykają obiektu. Odkształcenie to jest mierzone i przekształcane w sygnał elektryczny, który jest przesyłany do elementów przetwarzających i wyświetlających tensometru.
W zależności od obszaru funkcjonalnego zastosowania czujniki różnią się zarówno typem, jak i rodzajem mierzonej wartości. Ważnym czynnikiem jest wymagana dokładność pomiaru. Na przykład czujnik wagowy wagi samochodowej w piekarni nie może się równać z elektroniczną wagą apteczną, gdzie ważna jest każda setna część grama.
Przyjrzyjmy się bliżej typom i rodzajom nowoczesnych tensometrów.
Czujniki momentu obrotowego
Czujniki momentu obrotowego są przeznaczone do pomiaru momentu obrotowego na częściach wirujących, takich jak wał korbowy silnika lub kolumna kierownicy. Czujniki momentu obrotowego mogą określać zarówno statyczny, jak i dynamiczny moment obrotowy w sposób kontaktowy lub bezkontaktowy (telemetryczny).
Czujniki wagowe typu belkowego, wspornikowego i krawędziowego
Czujniki tego typu są zwykle oparte na konstrukcji równoległoboku z wbudowanym elementem zginającym, co zapewnia wysoką czułość i liniowość pomiaru. Czujniki tensometryczne są przymocowane do wrażliwych części elementu sprężystego czujnika i połączone w układzie pełnego mostka.
Pod względem konstrukcyjnym tensometr dźwigara ma specjalne otwory umożliwiające nierównomierne rozłożenie obciążenia oraz wykrywanie odkształceń ściskających i rozciągających. Aby uzyskać maksymalny efekt, tensometry ustawia się ściśle do powierzchni belki w jej najcieńszym punkcie, korzystając ze specjalnych oznaczeń. Bardzo dokładne i niezawodne czujniki wagowe tego typu są stosowane do budowy wieloczujnikowych systemów pomiarowych w wagach platformowych lub zbiornikowych. Są one również stosowane w wagach dozujących, napełniaczach do produktów sypkich i płynnych, miernikach naprężenia kabli i innych czujnikach wagowych.
Ogniwa obciążeniowe do rozciągania i ściskania
Czujniki obciążenia rozciągającego i ściskającego mają zazwyczaj kształt litery S i są wykonane z aluminium lub stali nierdzewnej. Przeznaczone do wag zbiornikowych i wag o zakresie pomiarowym od 0,2 do 20 ton. Czujniki wagowe do pomiaru siły rozciągającej i ściskającej typu S mogą być stosowane w maszynach do produkcji kabli, tkanin i włókien w celu monitorowania siły rozciągającej tych materiałów.
Tensometry drutowe i foliowe
Nawinięty drut Tensometry nawijane na koła są wykonane w postaci zwojów drutu o małej średnicy i są mocowane do elementu sprężystego lub badanego przedmiotu za pomocą kleju. Charakteryzują się one następującymi cechami:
- łatwość wykonania;
- liniowa zależność od odkształcenia;
- Niewielkie wymiary i cena.
Wadami są: niska czułość, wpływ temperatury i wilgotności na błąd pomiaru, możliwość zastosowania tylko w dziedzinie odkształceń sprężystych.
Folia tensometry są obecnie najbardziej rozpowszechnionym typem tensometru ze względu na ich wysokie właściwości metrologiczne i łatwość produkcji. Jest to możliwe dzięki fotolitograficznej technologii ich wytwarzania. Nowoczesna technologia pozwala na produkcję pojedynczych tensometrów o podstawie 0,3 mm, specjalnych gniazd tensometrycznych i łańcuchów tensometrycznych o szerokim zakresie temperatur pracy od -240 do +1100 ºС, w zależności od właściwości materiałów, z których wykonana jest siatka pomiarowa.
Zalety i wady czujników wagowych
Tensometry są powszechnie stosowane ze względu na swoje właściwości:
- Możliwość wykonania monolitycznego połączenia pomiędzy tensometrem a badanym przedmiotem;
- Niewielka grubość elementu pomiarowego pozwala na uzyskanie wysokiej dokładności pomiarów z błędem 1-3%;
- łatwy montaż, zarówno na powierzchniach płaskich, jak i zakrzywionych;
- możliwość pomiaru odkształceń dynamicznych z częstotliwością do 50 000 Hz;
- możliwość wykonywania pomiarów w trudnych warunkach środowiskowych w zakresie temperatur od -240 do +1100˚C;
- Możliwość jednoczesnego pomiaru parametrów w wielu punktach części;
- możliwość pomiaru odkształceń obiektów znajdujących się w dużej odległości od systemów tensometrycznych;
- możliwość pomiaru odkształceń w częściach ruchomych (obrotowych).
Wadami są:
- wpływ warunków meteorologicznych (temperatura i wilgotność) na czułość czujników;
- Niewielkie zmiany rezystancji elementów pomiarowych (około 1%) wymagają zastosowania wzmacniaczy sygnału.
- gdy tensometry są używane w wysokiej temperaturze lub w środowisku agresywnym, wymagane są specjalne środki dla ich ochrony.
Podstawowe schematy połączeń
Rozważmy to na przykładzie połączeń tensometrów z wagami domowymi lub przemysłowymi. Standardowy miernik wagowy ma cztery różnokolorowe przewody: dwa wejścia to zasilanie (+Ex, -Ex), dwa pozostałe to wyjścia pomiarowe (+Sig, -Sig). Istnieją również warianty z pięcioma żyłami, w których dodatkowa żyła służy jako ekran dla wszystkich pozostałych żył. Zasada działania miernika wagowego typu belkowego jest dość prosta. Na wejściach jest podawane napięcie, a na wyjściach jest pobierane napięcie. Wielkość napięcia zależy od obciążenia przyłożonego do czujnika pomiarowego.
Jeżeli długość przewodów od czujnika wagowego do przetwornika ADC jest znaczna, to rezystancja samych przewodów będzie miała wpływ na odczyt wagi. W takim przypadku zaleca się dodanie obwodu sprzężenia zwrotnego, który kompensuje spadek napięcia poprzez korygowanie błędu rezystancji ołowiu wprowadzonego do obwodu pomiarowego. W takim przypadku schemat połączeń będzie zawierał trzy pary przewodów: zasilający, pomiarowy i kompensacji strat.
Przykłady zastosowań tensometrów
- Element w budowie skal.
- Pomiar sił odkształcających podczas obróbki plastycznej metali na prasach kuźniczych i walcarkach.
- Monitorowanie stanów naprężenia i odkształcenia konstrukcji budowlanych i budowli podczas ich wznoszenia i eksploatacji.
- Czujniki wysokotemperaturowe wykonane z żaroodpornej stali stopowej dla zakładów metalurgicznych.
- z elementem sprężystym ze stali nierdzewnej do pomiarów w środowiskach agresywnych chemicznie.
- Do pomiaru ciśnienia w rurociągach naftowych i gazowych.
Prostota, wygoda i łatwość przetwarzania czujników wagowych są głównymi czynnikami ich dalszego aktywnego wdrażania, zarówno w procesach metrologicznych, jak i w życiu codziennym, jako elementy pomiarowe urządzeń gospodarstwa domowego.
Powiązane artykuły:
