Обладнання та методи дослідження сил, тиску та крутнього моменту у процесах ОМТ

 

Тензодатчики опору

 

Електротензометрічні методи вимірювання сил.

В даний час не розроблено метод безпосереднього перетворення сили в електричну величину. В більшості випадків використовується попередне перетворення сили в механічну деформацію за допомогою пружних елементів. Наприклад, найпростішим пружним елементом може служити циліндричний сталевий стрижень. Якщо цей елемент навантажити осьовою силою Р, то первісна його довжина l₀ зміниться за законом Гука на величину

(3.1)

де Е - модуль пружності матеріалу стрижня, Н/мм²;

F - поперечний переріз стрижня, мм².

 

Поєднуючи пружний елемент з датчиком переміщення (деформації), отримаємо пристрій для перетворення сили в електричну величину. Датчики деформації називають найчастіше електротензодатчиками, а сам метод, заснований на застосуванні таких датчиків, - електротензометричний метод вимірювання сили.

Електротензометричний метод дослідження силового режиму машин є найпоширенішим завдяки притаманній йому гнучкості, високій чутливості і точності. Особливістю методу є можливість дистанційного вимірювання сили; прилад, що реєструє вихідний сигнал, може бути розташований практично на будь-якій відстані від місця установки пружного елемента з тензодатчиків.

Серед різних типів електротензометрів (індуктивних, ємнісних, магнітопружних та ін.) найбільш високим вимогам до точності вимірювань при роботі в особливо важких умовах відповідають електротензометри опору або, як їх частіше називають, тензодатчики опору. Вони мають малі габарити, володіють високою конструктивною пристосовністю і малою інерційністю, що є дуже важливою якістю при використанні їх в приладах, призначених для дослідження швидкозмінних у часі процесів.

У приладах, призначених для вимірювання силових параметрів процесу прокатки зазвичай застосовуються дротяні і фольгові тензодатчики

Дротяні тензодатчики

Конструктивно дротяний тензодатчик (рис. 3.1) виконується у вигляді плоскої спіралі з тонкого (діаметром 0,012-0,05 мм), найчастіше константанового дроту, який вклеюється між смужками тонкого паперу. До кінців спіралі приварюються тонкі (діаметром 0,25 мм) мідні провідники, якими тензодатчик підключають до вимірювального ланцюга. Довжина спіралі, яку називають базою тензодатчика l_б, може становити 2-40 мм і більше.

Якщо наклеїти тензодатчик, наприклад, на циліндричний пружний елемент у напрямку утворюючої (рис. 3.2, а) і потім навантажити елемент осьовою силою, то поверхневі деформації елемента через шар клею та паперу передадуться дротяній спіралі.

Під дією деформації геометричні розміри спіралі (довжина дроту і її поперечний переріз) змінюються. При цьому також змінюється і питомий опір матеріалу дроту.

. 1 - тонкий папір; 2 - спіраль, 3 - клейова підкладка, 4 - виводи; 5-точкове зварювання або припій

Рисунок 3.1 ‑ Дротяний тензодатчик

 

Рисунок 3.2 ‑ Пружний елемент з наклеєним тензодатчиком (а) і залежністю відносної зміни опору тензодатчика від деформації (б) (тензорезистивний ефект)

 

В результаті опір спіралі отримує приріст ΔR. Причому при розтягуючих деформаціях опір дроту збільшується, а при стискаючих зменшується. Досвід показує, що в межах пружних деформацій деталі, аж до (0,25%), залежність між зміною опору ΔR і деформацією лінійна (рис. 3.2, б).

Основні параметри тензодатчиків наступні: максимальна вимірювальна деформація , чутливість до поздовжньої деформації , чутливість до поперечної деформації , температурний коефіцієнт , припустимий струм , опір спіралі R, повзучість , а також допустимий робочий діапазон температур та опір ізоляції.

 

Чутливість до деформації.

Під поздовжньою чутливістю тензодатчика до деформації розуміють відношення відносної зміни опору спіралі до поздовжньої деформації при одноосьовому напруженому стані, що викликала цю зміну:

(3.2)

Так як спіраль має ділянки заокруглення, які, як і поздовжні, можуть сприймати деформацію, то тензодатчик чутливий і до деформації, що діє в напрямку його поперечної осі.

Відношення відносного змінення опору спіралі до поперечної деформації при одноосьовому напруженому стані, що викликала ця зміна, називають поперечною чутливістю тензодатчика

(3.3)

Для дротяних тензодатчиків з базою, що перевищує 10 мм, . Для зниження поперечної чутливості радіус закруглення кінцевих ділянок спіралі роблять мінімальним. Поперечна чутливість тензодатчика зменшується також зі збільшенням довжини прямих ділянок спіралі.

Якщо тензодатчик відчуває двовісну деформацію, то відносна зміна його опору дорівнюватиме

(3.4)

Оскільки поперечна чутливість значно менше подовжньої, то при розрахунках можна прийняти:

(3.5)

Поздовжня чутливість тензодатчиків в залежності від довжини бази коливається в межах 1,5-2,1.

Поздовжня чутливість зі зменшенням довжини бази зменшується, що пояснюється неоднорідністю деформації по довжині спіралі; по кінцях її є ділянки, де передається деформація, поступово зменшується до нуля (рис. 3.3). Тому ефективна довжина спіралі, на якій можна вважати деформацію однорідною, на величину 2а менше, ніж її геометрична довжина. Ця обставина призводить до зниження чутливості тензодатчика в раз порівняно з чутливістю дроту, яка для константи дорівнює 2,1. Величина а зменшується при зменшенні товщини шару клею і діаметра дроту, а також зі зростанням міцності клею. За інших рівних умов чим коротше база тензодатчика , тим більше відношення і тим, отже менше чутливість.

 

I - деталь; II - тензодатчик; 1 - деформація дроту; 2 - деформація деталі

Рисунок 3.3 ‑ Розподіл деформацій по довжині спіралі тензодатчика

 

Так як міцнісні характеристики клею залежать від ступеня його твердіння і температури, то від цих же факторів залежить і величина а, а отже, і чутливість тензодатчика. Причому вплив їх виходить тим відчутнішими, чим менше база тензодатчика.

При тривалій роботі тензодатчика міцнісні властивості клею поступово змінюються, що тягне за собою зміну чутливості тензодатчика. Тому стабільність роботи тензодатчика багато в чому залежить від властивостей застосовуваного клею і якості наклейки.

 

Температурний коефіцієнт

Температура деталі, на якій наклеєний тензодатчик, впливає на омічний опір дроту, довжину дроту і розміри ділянки деталі під тензодатчиком. Якщо вважати, що тензодатчик не наклеєний на деталі, але знаходиться в однакових з нею температурних умовах, тоді:

1) зміна опору дроту

(Ом), (3.6)

де - початковий опір дроту, Ом;

- температурний коефіцієнт опору металу дроту;

–зміна температури, К;

2) зміна довжини бази тензодатчика

(мм) (3.7)

де - температурний коефіцієнт розширення металу дроту;

3) зміна довжини ділянки деталі під тензодатчиком

(мм) (3.8)

де - температурний коефіцієнт розширення матеріалу деталі.

Так як тензодатчик скріплен з деталлю, то дріт повинний слідувати тим змінам, які відбуваються з деталлю. У зв'язку з цим в залежності від співвідношення і відбувається або вкорочення дроту , що еквівалентно деформації стиснення, або, навпаки, її подовження ( ), що еквівалентно деформації розтягування. В останньому випадку збільшення температури викликає збільшення опору спіралі, рівне

(3.9)

Сумарна зміна опору спіралі складе

(3.10)

а відносне

(3.11)

Температурний коефіцієнт тензодатчика

(3.12)

Якщо тензодатчик виконаний з константанового дроту і наклеєний на сталеву деталь, то можна прийняти: ; ; тоді

Слід зазначити, що складова залежить від температури, тому залежність відрізняється від лінійної.

Допустимий струм

Тензодатчик відноситься до параметричних датчиків. Перетворення зміни його опору, викликаного вимірюваної деформацією, в струм, на який реагують вимірювальні механізми, проводиться за допомогою вимірювального ланцюга. При цьому тензодатчик входить в неї як складовий елемент і по ньому протікає певний струм. Для підвищення чутливості вимірювального ланцюга важливо, щоб через тензодатчик можна було пропускати більший струм.

Величина, що пропускається через тензодатчик струму, обмежується допустимою температурою нагріву, яку приймають в залежності від якості застосовного клею. При підвищенні температури понад допустиму клей розм'якшується, і внаслідок цього деформація деталі не повністю передається дроту.

Температура тензодатчика визначається балансом тепла, що виділяється в дроті при протіканні через нього струму, і тепла, відведеного до деталі і в навколишнє середовище. Визначення допустимого струму з рівняння теплового балансу ускладнене тим, що поки не вдається з достатньою точністю визначити коефіцієнт тепловіддачі, а також врахувати всі фактори, що впливають на його величину. Тому допустимий струм визначають експериментально.

Для якісної оцінки впливу конструктивних параметрів тензодатчика на допустимий струм використовують формулу, що випливає з рівняння балансу тепла:

(3.13)

де A - коефіцієнт тепловіддачі;

, - температури тензодатчика і деталі, К;

р, q - периметр і поперечний переріз дроту,мм та мм²;

ρ - питомий опір дроту, Ом·мм²/м.

 

Зазвичай величина допустимого струму вказується заводом виробником. Якщо цих даних немає, то орієнтовно для константанового дроту можна приймати:

Діаметр дроту, мм............................ 0,012 0,025 0,05

Допустима сила струму, мА............. 12,5 35 100

 

При короткочасній роботі ці значення можна збільшити на 30-50%.

Повзучість

Якщо швидко навантажити деталь, на якій наклеєний тензодатчик, постійною силою, то приріст опору тензодатчика, встановлений відразу після навантаження, буде поступово з плином часу зменшуватися. Зазвичай це зменшення припиняється після закінчення 20-40 хв. Це явище прийнято називати повзучістю тензодатчика.

Кількісно повзучість оцінюється показником

(3.14)

де - відносна зміна опору тензодатчика в момент прикладання навантаження до деталі;

відносна зміна опору тензодатчика, встановлена за 1ч з моменту навантаження.

Повзучість тензодатчика залежить від проужнопластичних властивостей клею. Величина становить до 2-3%.

Опір ізоляції

Опір ізоляції між дротяною спіраллю і деталю є вельми важливою характеристикою наклеєного на деталь тензодатчика. У правильно наклеєного і висушеного тензодатчика цей опір доходить до 500-1000 мОм, а іноді і вище. Опір ізоляції залежить від складу, товщини і ступеня затвердіння клею, що скріплює тензодатчик з деталлю.

У приклеєного, але не висушеного тензодатчика опір ізоляції становить близько декількох десятків тисяч омів. У міру висихання клею величина опору ізоляції поступово зростає і після затвердіння клею приймає постійне значення.

Тензодатчик вважається висушеним і придатним до роботи, коли опір ізоляції залишається постійним. При роботі тензодатчика опір ізоляції може змінитися в результаті впливу вологи, якщо не прийнято ніяких спеціальних захисних заходів.

Необхідно періодично контролювати опір ізоляції тензодатчика. Якщо опір ізоляції знизився до декількох десятків тисяч омів, то це свідчить про значне зволоження тензодатчика, тому вимірювання потрібно перервати. При зміні опору ізоляції від відбувається зміна опору тензодатчика, яка при з'єднанні одного виведення тензодатчика з деталлю рівна

(3.15)

А при відсутності з'єднання

(3.16)

З цих рівнянь видно, що в разі з'єднання виведення тензодатчика з деталлю вплив змін опору ізоляції на опір тензодатчика в чотири рази сильніше, ніж при відсутності з'єднання.

Технічні дані серійних тензодатчиків наведені в таблиці 3.1.

 

Таблиця 3.1 Параметри дротяних і фольгових тензодатчиків

Тип тензодатчика	База, мм	Опір, Ом	Межа вимірюваних деформацій	Робоча температура, ℃	Чутливість до деформаціїи	Тривало-допустимий струм
Дротяний на паперовій основі		50, 100 50, 100, 200 50, 100, 200, 300 100, 200, 300, 400 100, 200, 300, 400 100, 200, 300, 400	0-3 (0-0,3%)	(-50)-40	1,8-2,1	15-30
фольговий на плівковій основі		30,50 30,100,150 50,100,200 100,200	0-3 (0-0,3%)	(-50)-90	2,2-2,3	100-500

 

Фольговий тензодатчик

Фольговий тензодатчик на відміну від дротового має спіраль, виготовлену з константанової фольги товщиною 5 - 15 мкм методом фототравлення. В якості ізолюючої підкладки використовується лакова плівка. Загальний вид тензодатчика наведено на рис. 3.4. Кінцеві ділянки спіралі роблять більш широкими, ніж повздовжні, внаслідок чого частка їх опору в загальному опорі спіралі знижується. Це дозволяє знизити поперечну чутливість тензодатчика до 0,25% від повздовжньої. Розширені кінці спіралі забезпечують хороший контакт між вивідними провідниками і спіраллю, що сприяє підвищенню експлуатаційної надійності тензодатчиків. Завдяки прямокутному перетину спіралі зростає площа зіткнення її з деталлю, в зв'язку з чим поліпшуються умови передачі деформації до неї і відведення від неї виділяється при проходженні струму тепла. Хороший відвід тепла від спіралі дозволяє пропускати струм через фольговий тензодатчик в десятки разів більше, ніж через дротяний, що є одним з основних його переваг (див. табл. 3.1).

Рисунок 3.4 ‑ Фольговий тензодатчик: 1 - фольгова спіраль; 2 - лакова плівка; З - лак; 4 - деталь, 5 – виводи