ДАТЧИКИ И ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛ
Приборы, предназначенные для измерения силы, принято называть динамометрами [1, 3]. Динамометры широко применяются на автомобильном транспорте. Они используются при определении тяговых сил автомобиля, при измерении силы на рулевом колесе автомобиля, при измерении тормозных сил и др.
Для выполнения не сложных измерений применяются обычные динамометры механического типа. Промышленность выпускает специальные образцовые динамометры механического типа. Современные динамометры выпускаются тензометрического типа.
Динамометры механического типа
Наибольшее распространение на предприятиях получили динамометры модели ДПУ, оснащенные стрелочными указателями. Они выпускаются по ГОСТ 13837-79. Динамометры применяются для измерения сил от 500 Н (небольшой величины) до 5000 кН (большой величины). Их устанавливают последовательно в цепь измерения, и подсоединяют к динамометру с помощью тяг. Тяги соединяются с динамометром накидными гайками.
Для измерения силы применяется пружинный элемент, который установлен внутри корпуса динамометра. При действии силы элемент деформируется. Деформация элемента передается через рычаги к шестеренчатому механизму, который перемещает стрелочный указатель.
Образцовые механические динамометры имеют более сложную конструкцию. Наибольшее распространение получили переносные динамометры системы Н.Г. Токаря. Они выпускаются учебно-опытным заводом Горьковского политехнического института им. А.А. Жданова по ГОСТ 9500-84. Динамометры предназначены для измерения сил от 250 Н до 1000 тонн силы. Они применяются для измерения с высокой точностью медленно изменяющихся сил.
|
|
|
Динамометры системы Н.Г. Токаря выпускаются двух типов: динамометры растяжения и динамометры сжатия. Они подразделяются на три группы (модификации):
А) динамометр состоит из нескольких замкнутых упругих скоб, работающих на изгиб;
Б) динамометр состоит из замкнутых скоб, у которых повышена несущая способность путем усложнения деформаций скоб введением чистого растяжения и сжатия;
В) динамометр имеет в качестве основного упругого элемента призматический, сплошной или полый стержень.
Для измерения малых сил выпускаются динамометры моделей ДОУМ–1 и ДОУМ–5, в которых упругая система выполнена в виде ромба.
Динамометры преобразуют деформацию упругого элемента в перемещение указателя отсчетного механизма. Упругий элемент выполняется в виде тела - пружины, которая подвергается термической закалке. Пружина имеет вид рамки, замкнутой скобы, полого стержня круглого или квадратного сечения. Конструкция элемента и закалка обеспечивают отсутствие остаточных напряжений. Деформация элемента, вызванная действием силы, передается на индикатор непосредственно либо через передаточный механизм. Конструкция применяемого индикатора часового типа кратко описана в разделе 4. По шкале индикатора отсчитываются условные показания. Значение силы находят по показаниям стрелки с помощью таблицы или по линейной формуле, аппроксимирующей значения таблицы.
|
|
|
Динамометры группы А:
динамометры растяжения на 1, 2, 3, 5 кН (рис. 6.1)
ДОРМ-0,1; ДОРМ-0,2; ДОРМ-0,3; ДОРМ-0,5;
динамометры сжатия на 1, 2, 3, 5, 10, 30, 50 кН (рис. 6.2)
ДОСМ-0,1; ДОСМ-0,2; ДОСМ-0,3; ДОСМ-0,5;
ДОСМ-1; ДОСМ-3; ДОСМ-5.
Динамометры группы Б
динамометры растяжения на 10, 30, 50, 50, 100, 200, 300, 500, 1000 кН
ДОРМ-1; ДОРМ-3; ДОРМ-5; ДОРМ-10; ДОРМ-20; ДОРМ-30;
ДОРМ-50; ДОРМ-100;
динамометр сжатия на 100 кН ДОСМ–10 (100кН).
Динамометры группы В
динамометры растяжения на 2000, 3000, 5000 кН
ДОРМ-200; ДОРМ-300; ДОРМ-500;
динамометры сжатия на 500, 1000, 2000, 3000, 5000 кН
ДОСМ-50; ДОСМ-100; ДОСМ-200; ДОСМ-300; ДОСМ-500.
Универсальные динамометры ДОУМ–1 и ДОУМ–5 применяются для измерения сил сжатия и растяжения. Показания стрелки такого динамометра имеет один и тот же знак при действии силы сжатия и растяжения.
|
|
|
В комплектность динамометров входят хвостовики, которые соединяются с деталями испытуемой машины (механизма) и накидные гайки. К динамометру прилагается индикатор. Цена одного деления индикатора составляет 0,01 мм.
Рис. 6.1. Образцовый динамометр растяжения
Рис. 6.2. Образцовый динамометр сжатия
Изготовитель гарантирует измерение силы с погрешностью не более 0,5 % по отношению ко всему диапазону измерений.
6.2. Тензорезисторы
Тензорезисторы представляют собой тонкие пластинки, имеющие чаще всего прямоугольную форму [3]. В пластинку вклеена токопроводящая решетка. Решетка изготавливается из тонкой проволоки или фольги. Пластинка наклеивается на поверхность детали. При деформации детали происходит растяжение или сжатие решетки пластинки. Изменяется диаметр проволоки или толщина фольги и изменяется электрическое сопротивление решетки. Сопротивление решетки зависит от деформации детали и силы, вызывающей эту деформацию. Решетка образует тензорезистор. Сопротивление тензорезистора (ниже в тексте - датчика) небольшое, оно равно 25 … 300 Ом.
Проволочные датчики
Отечественные проволочные датчики изготавливаются из константановой термокомпенсированной проволоки диаметром 20 … 30 мкм. Проволока обычно укладывается в виде прямоугольника. Ширина решетки равна ширине датчика (всей пластинки). Рабочая часть решетки растягивается или сжимается. Длина рабочей части решетки называется базой. По длине датчика направлены токопроводящие электроды (рис. 6.3).
|
|
|
Пленочные датчики
В настоящее время проволочные датчики выпускаются в ограниченном количестве. Их основным недостатком является высокая трудоемкость изготовления проволочной решетки. В пленочном датчике решетка изготавливается из тонкой фольги (сплавы висмута и германия) фотохимическим способом. Датчики приклеивают к поверхности клеем БФ-2. Однако для полимеризации этого клея требуется прогрев датчика при температурах 70, 140 и 180 °C в течение 5 часов. Поэтому в настоящее время применяют современные, быстро полимеризующиеся на воздухе клеи (моментальные).
Рис. 6.3. Проволочный тензодатчик
Промышленностью Российской федерации выпускаются малобазные датчики с прямоугольной решеткой типов ФКПА-1, 3, 5, ФК-3, 5. Для измерения деформаций мембран выпускаются датчики типов ФКНБ-10, ФК-10, ФК-6. Также выпускаются датчики со специальной решеткой, предназначенные для измерения деформации кручения валов.
Для измерения деформации детали датчики соединяют в полумост или в полный мост (рис. 6.4). Два датчика соединяют в полумост, применяя дополнительные постоянные резисторы R1 и R2. Четыре датчика соединяют в полный мост.
Рис. 6.4. Типовые схемы подключения датчиков
в полумост и полный мост
Датчики устанавливают на детали таким образом, чтобы в плече моста один датчик работал на сжатие, а второй на растяжение (см. рис. 6.4). Датчики подключают к источнику постоянного или переменного тока с напряжением Uпит. С моста или полумоста снимают выходное напряжение Uвых. При применении полного моста получают полезный сигнал в два раза больше, чем при применении полумоста. В мостах дополнительно устанавливают переменные или подстроечные резисторы для балансировки (установка нуля).
Усилители
При работе датчиков на выходе моста образуется малый по величине сигнал [3]. Его величины недостаточно для работы регистрирующих приборов. Поэтому применяют электронные усилители постоянного или переменного тока.
В 60 … 80 г. прошлого столетия в распоряжении испытателей имелись только приборы, построенные на электронных лампах. Усилители постоянного тока на электронных лампах имели большой дрейф нуля: в течении времени полезный сигнал самопроизвольно отклонялся от начального значения. Для уменьшения дрейфа были разработаны специальные многоканальные усилители переменного тока, и к тензодатчикам подводился переменный ток. Восстановление постоянной составляющей выполнялось с помощью фазовых детекторов. Такие усилители имели низкую надежность и требовали прогрева аппаратуры не менее 2 часов.
В результате развития электронной базы и разработки надежных транзисторов появились транзисторные усилители. Усилители постоянного тока на транзисторах также имели значительный дрейф нуля. Поэтому для тензодатчиков применяли усилители переменного тока. Такие усилители (например, ТДА-6, 6 каналов) до сих пор можно встретить на производстве и в лабораториях. Усилители оснащены грубой и точной балансировкой мостов, предусмотрена балансировка мостов по переменному току, предусмотрена дискретная и плавная регулировка коэффициента усиления по каждому каналу.
В настоящее время от усилителей переменного тока снова перешли к усилителям постоянного тока. Переход удалось осуществить тогда, когда промышленность освоила производство микросхем, содержащих операционные усилители. Такие усилители еще называют дифференциальными усилителями.
Промышленность сейчас выпускает несколько типов операционных усилителей, параметры которых легко найти в справочниках по микросхемам. Питание усилителей осуществляется от источника постоянного тока напряжением от 6 до 15 В. Современные операционные усилители, например К1401УД1, выпускаются с большим коэффициентом усиления.
На базе операционных усилителей конструкторы создают самые разнообразные электронные блоки: избирательные усилители, генераторы напряжений разной формы, дифференцирующие и интегрирующие блоки, сумматоры и др. Промышленность выпускала даже аналоговые вычислительные машины на базе операционных усилителей, собранных на электронных лампах.
Операционный усилитель имеет коэффициент усиления несколько десятков и сотен тысяч. На схемах он обозначается треугольником (рис. 6.5). Он имеет два входа - прямой UВХ1 и инверсный UВХ2, один выход, а также выводы для подключения источника питания.
Операционный усилитель обычно подключается к схеме с ведением отрицательной, обратной связи. Для этого выход усилителя соединяется с инверсным входом через сопротивление RО (см. рис. 6.5). Напряжение на выходе усилителя выражается уравнением:
UВЫХ = (UВХ2 – UВХ1) × КУ,
где КУ – коэффициент усиления.
То есть усилитель замеряет разницу напряжений между его входами и умножает ее на коэффициент усиления.
Коэффициент усиления задается величинами резисторов в цепи обратной связи RО и резистора R (см. рис. 6.5) и примерно равен отношению RО/R.
 |
Рис. 6.5. Обозначение операционного усилителя
и схема его подключения
В настоящее время промышленность выпускает разные типы многоканальных усилителей постоянного тока для тензодатчиков. Напряжение на выходах усилителей достаточно для его регистрации на самописцы или ввода в память компьютера с помощью аналого-цифрового преобразователя (стандартный блок АЦП). Они работают надежно и, благодаря большому запасу по коэффициенту усиления, имеют малый дрейф нуля.
Современные датчики силы
Фирма Сибтензоприбор выпускает силоизмерительные тензорезисторные датчики (ДСТ). Датчики универсальные, они применяются в различных весах и устройствах (рис. 6.6). Корпусом датчика является прочное стальное кольцо, внутри которого вмонтирован упругий элемент с наклеенными тензодатчиками, образующими полный мост. Датчики предназначены для измерения статических или медленно изменяющихся сил растяжения.
Рис. 6.6. Современные датчики ДСТ растяжения и сжатия
Датчики типа 9035 ДСТ выпускаются на номинальное (максимальное) усилие 0,5, 2, 5, 10, 20, 50 и 100 кн. Они имеют класс точности 0,1 или 0,25. Мост подключается к источнику напряжением 12 В. Входное сопротивление мостовой схемы 380 Ом. Выходное сопротивление 400 Ом. Датчики предназначены для работы при температурах от минус 30 до +50 °C. Масса датчиков составляет от 3,6 до 6,5 кг. В маркировке датчика указываются: номинальное усилие, кН; категория класса точности; группа исполнения. Датчики имеют диаметр 145 мм и толщину 46 мм. Для крепления датчика в его корпусе просверлены 4 отверстия диаметром 13 мм. Для датчиков, рассчитанных на силы 50 и 100 кН, диаметр отверстий равен 28 мм, а диаметр датчика увеличен до 165 мм.
Для измерения меньших по величине сил выпускаются датчики типа 1909 ДСТ на номинальное усилие от 0,1 до 6,0 кн. Они имеют класс точности 0,1. Мост подключается к источнику напряжением 12 B. В маркировке указывается номинальное усилие, кН, категория класса точности и группа исполнения. Датчики имеют диаметр 99 мм и толщину 42 мм.
Сокращенная схема подключения датчика показана на рис. 6.7. На схеме отражена нумерация выводов разъема. Обычно мост дополнен шестью термокомпенсирующими резисторами. Время прогрева датчика сокращено до 15 мин.
Для подключения датчиков выпускаются Красноярским заводом преобразователи сигналов типа ПА–1 (рис. 6.8). Они обеспечивают усиление разности напряжений на выводах моста до ±1 B. Погрешность работы преобразователя равна ±1%. Потребляемая мощность не превышает 4 Вт. Питание преобразователя осуществляется от источника постоянного тока напряжением ±24 B или от источника переменного тока такого же напряжения. Преобразователь требует прогрева в течение 30 мин.
Рис. 6.7. Схема подключения датчика ДСТ
Рис. 6.8. Преобразователь сигналов типа ПА–1
Для питания прибора в преобразователе имеется выпрямитель, который применяется при использовании источника переменного тока, и стабилизатор напряжения. Питание разной полярности операционных усилителей обеспечивает делитель напряжения. Усиление сигнала датчика выполняет одна микросхема К140УД17А. Всего в преобразователе применяется 5 указанных микросхем. В преобразователе предусмотрены резисторы для установки нулевого выходного напряжения, а также для точного и грубого регулирования коэффициента усиления. Правильность регулировки коэффициента усиления проверяется путем подачи калиброванного напряжения на вход усилителя, и достижения выходного напряжения ±1 B.
Контрольные вопросы для самопроверки
1) На какие группы подразделяются механические динамометры?
2) С какой погрешностью измеряются силы механическими динамометрами?
3) Объясните принцип действия тензорезистора.
4) Какого типа выпускаются тензометрические датчики?
5) Объясните по электрической схеме работу полного моста.
6) Какие операции выполняются с помощью операционных усилителей?
7) Каким образом устанавливается коэффициент усиления операционного усилителя?
8) Чем различаются прямой и инверсный входы усилителя?
9) За счет чего в операционном усилителе обеспечивается малый дрейф нуля?
10) Из каких частей состоит измерительный датчик типа ДСТ?
11) Какой величины измеряются силы датчиками типа ДСТ?
12) Какие функции выполняют преобразователи типа ПА–1?
13) Каким образом контролируется коэффициента усиления преобразователя типа ПА–1?
14) Какие микросхемы применяются в преобразователях типа ПА–1?
Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 252; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!