WZORCOWANIE PRZETWORNIKÓW SIŁY I CIŚNIENIA

Transkrypt

1 WZORCOWANIE PRZETWORNIKÓW SIŁY I CIŚNIENIA. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest: - oznanie zasady działania i budowy oularnych w raktyce rzemysłowej rzetworników siły i ciśnienia, - oznanie zagadnień związanych z wzorcowaniem rzetworników i rzyrządów omiarowych.. Wrowadzenie ) Pomiary sił, narężeń mechanicznych i ciśnień wykonuje się owszechne zarówno w instalacjach rzemysłowych jak i w życiu codziennym (ważenie). Są one rzerowadzane na obiektach o różnych stanach skuienia (ciała stałe, ciecze, gazy ary i zawiesiny) w warunkach statycznych (obiekt omiaru nie orusza się) i kinetycznych (obiekt omiaru orusza się). Ponieważ siła, narężenie i ciśnienie są wielkościami ściśle ze sobą związanymi, a skutki ich działania są odobne, zagadnienia związane z ich omiarem rozatruje się wsólnie Skutkami działania sił na ciało sztywne są jego odkształcenia oraz towarzyszące im zmiany właściwości fizycznych ciała takich jak rzenikalność magnetyczna, rzewodność elektryczna, częstotliwość drgań własnych it. W rzyadku omiaru sił bada się efekty działania sił skuionych (rzyłożonych do badanego obiektu w określonym jego unkcie), zaś w rzyadku omiaru narężeń mechanicznych i ciśnień bada się efekty działania sił rozłożonych na określonej owierzchni. Pod ojęciem narężenia mechanicznego należy tu rozumieć natężenie siły rozłożonej działającej w kierunku stycznym do rozatrywanej owierzchni zaś ciśnienie można traktować jak natężenie siły rozłożonej działającej w kierunku normalnym do rozatrywanej owierzchni ciała. W układzie jednostek SI jednostką siły jest N, a jednostką narężenia oraz ciśnienia jest N/m ( Pa). Używa się także jednostek ochodnych i tzw. jednostek technicznych. Pomiaru siły można dokonać orzez omiar skutków działania mierzonej siły na czujnik siłomierza, tj. odkształcenie elementu srężystego czujnika, które z kolei można rzetworzyć na sygnał elektryczny. Oracowano różnorodne konstrukcje rzetworników do omiaru sił oraz ciśnień. Przedmiotem ćwiczenia laboratoryjnego jest oznanie i badanie wybranych rodzajów rzemysłowych rzetworników omiarowych siły i ciśnienia, w których sygnał wyjściowy jest elektryczny. Obecnie takie rzetworniki są najczęściej stosowane w raktyce ze względu na dogodność sygnałów elektrycznych do dalszego rzetwarzania analogowego (wzmacnianie, filtracja) oraz cyfrowego. Przetworniki te złożone są z trzech odstawowych elementów: Element srężysty (część mechaniczna) odowiednia konstrukcja, w której wskutek działającej siły (ciśnienia) owstają narężenia i związane z nimi wydłużenia wybranych elementów. Elementy te są skonstruowane tak, aby dla sił (ciśnień) w zakresie omiarowym, ) Poszerzone informacje na temat rzetworników siły i ciśnienia można znalżć w literaturze uzuełniającej: Zakrzewski J., Kamik M.: Sensory i rzetworniki omiarowe. Wyd. Polit. Śląskiej, Gliwice 03, rozdział 7. / 9

2 owstające odkształcenia były jak największe (ze względu na ożądaną dużą czułość rzetwornika), lecz mieściły się w zakresie srężystości użytych materiałów. Czujnik omiarowy umocowany trwale do części mechanicznej rzetwornika, którego zadaniem jest rzetworzenie jej odkształceń na dogodny arametr elektryczny (rezystancję, ojemność) lub sygnał elektryczny (naięcie, ładunek elektryczny). Układ kondycjonowania sygnału, który rzetwarza sygnał elektryczny (lub arametr) tak, aby uzyskać sygnał wyjściowy o zakresie dogodnym do transmisji do innych urządzeń i/lub dalszego rzetwarzania n. rzetwarzania analogowo-cyfrowego. W zastosowaniach rzemysłowych często stosuje się zakresy naięć 0..5V, 0..0V lub rądów 0..0mA, 4..0mA. 3. Przetworniki siły Odkształcenie elementu srężystego rzetwornika siły zależy od sosobu rzyłożenia do niego mierzonej siły. Tyowe sosoby rzyłożenia mierzonej siły okazane są na rysunku. Na owierzchni tego elementu naklejony jest czujnik narężeń, tzw. tensometr, który odlega rozciąganiu (T+) lub ściskaniu (T-) zgodnie z tym jak odkształca się ta owierzchnia od wływem narężeń. a) b) c) +T +T T -T -T M x Rys.. Tyowe sosoby rzyłożenia mierzonej siły do elementu srężystego w rzetworniku siły a) rozciąganie, b) zginanie, c) skręcanie Tensometrem nazywa się rzetwornik odkształcenia badanego obiektu, wywołanego anującymi w nim narężeniami, na inną wielkość najczęściej elektryczną. Skutkiem odkształcenia tensometru jest zmiana jego wybranego arametru, takiego jak rezystancja, rzenikalność magnetyczna, efekt iezoelektryczny, wsółczynnik załamania lub odbicia światła it. Najoularniejsze są tensometry rezystancyjne. Tensometry te najczęściej racują w elektrycznym układzie mostkowym (atrz rys. 3b), zasilanym z zewnętrznego stabilizowanego źródła naięcia. Sygnałem wyjściowym jest naięcie nierównowagi mostka. Tensometry rezystancyjne mają secjalną konstrukcję umożliwiającą mocowanie ich na owierzchni badanego obiektu tak, aby odkształcały się wraz z tą owierzchnią. Czułość tensometru na odkształcenie (czułość odkształceniowa) zależy od kierunku odkształcenia oraz konstrukcji tensometru. Tensometry mogą mieć różne kształty i konstrukcje. Najczęściej są tak zbudowane, aby reagowały na odkształcenia tylko w jednym kierunku. Istnieją konstrukcje tensometrów, takie jak tensometry siralne, rozety tensometryczne it., reagujące na / 9

3 odkształcenia w wielu kierunkach. Takie konstrukcje tensometrów są szczególnie dogodne w omiarach momentów skręcających, narężeń w membranach rzetworników ciśnienia itd. Element czynny tensometru rezystancyjnego (rezystor) wykonany jest z odowiednio ukształtowanego rzewodnika metalowego lub łytki ółrzewodnikowej. Element ten umieszczony jest omiędzy warstwami aieru lub folii izolacyjnej. Tensometr jest mocowany na owierzchni badanego obiektu za omocą secjalnego kleju, który dobiera się ze względu na materiał tensometru i badanego obiektu. Właściwości mechaniczne kleju (sztywność, temeraturowy wsółczynnik rozszerzalności liniowej, niejednorodność oraz efekt ełzania) istotnie wływają na charakterystykę czułości czujnika tensometrycznego. Na rysunku rzedstawiono konstrukcje wybranych rodzajów tensometrów. a) b) c) 3 Rys.. Szkice konstrukcji wybranych rodzajów tensometrów rezystancyjnych; a) drutowy wężykowy, b) foliowy, c) tzw. rozeta tensometryczna ręt tensometryczny (drut, folia), odkładka (aier lub folia izolacyjna), 3 wyrowadzenie Biorąc od uwagę tensometr drutowy, w którego rętach anuje narężenie, odkształcenie względne ręta można określić na odstawie rawa Hooke a: l () l E gdzie: l długość ręta tensometru, A narężenie w ręcie, A ole rzekroju ręta, E moduł Younga. Rezystancję ręta metalowego oisuje ogólna zależność: l R () A gdzie - rezystancja właściwa materiału ręta. Zmianę rezystancji ręta R odlegającego odkształceniom można wyznaczyć obliczając różniczkę zuełną z zależności (): R R R l l dr d dl da d dl da l A A A A (3) Każdy z arametrów (, l, A) ulega zmianie wskutek wystąienia narężeń. Dla ręta okrągłego względna zmiana rzekroju jest równa da A dr r, a zmiana rzekroju orzecznego ręta związana ze zmianą jego długości wynosi da dl, gdzie 0,3 - liczba Poissona. A l Po uwzględnieniu tych zależności wartość względnego rzyrostu rezystancji tensometru wynosi: 3 / 9

4 dr d (4) R Charakterystycznym arametrem czujnika tensometrycznego jest tzw. czułość odkształceniowa, którą oblicza się dzieląc zależność (4) rzez względne wydłużenie ręta. dr dr d K R (5) R dl l Czułość odkształceniowa jest zależna od stałych materiałowych tensometru i arametrów konstrukcyjnych, których dokładne wartości nie są znane. W raktyce dokładną wartość tego arametru wyznacza się z omiarów rzyrostów jego rezystancji R wywoływanych zadanymi rzyrostami jednoosiowego narężenia Przyjmując jako zakres srężystości =0,%, 0,3 oraz omijając niewielką dla metali iezorezystywność (zmianę od wływem narężeń), można oszacować wartośc czułości odkształceniowej na K,6. Oznacza to, że jeżeli owstające od wływem narężenia względne wydłużenie wyniesie n. 0,%, to względna zmiana rezystancji jest wówczas równa ok. 0,6%. Jest to wartość bardzo mała, a rzez to trudna do bezośredniego onmiaru. Konieczne jest stosowanie mostkowego układu rzetwarzania rezystancji na naięcie wyjściowe (rys. 3b). Tak małe zmiany rezystancji tensometrów są kłootliwe także ze względy na zjawisko zmian rezystancji metali od wływem temeratury, które to zmiany są na odobnym oziomie. Układ mostkowy ozwala na minimalizację tego efektu, co wyjaśniono oniżej. Właściwości metrologiczne rzetwornika siły zależą nie tylko od właściwości tensometrów, ale rzede wszystkim od arametrów elementu srężystego czujnika. Elementy srężyste czujników siły najczęściej są wykonane ze stali srężystej w kształcie wydrążonego lub ełnego walca albo w kształcie ramki. Na rysunku 3a okazano szkic budowy czujnika z elementem srężystym w kształcie ramki rostokątnej. Zaznaczono wektory sił działających na ramkę rzy założeniu nieidealnie osiowego (ukośnego) rzyłożenia mierzonej siły. Pokazano także ułożenie tensometrów naklejonych na boczne ścianki. Tensometry T i T3 są elementami czynnymi (reagują na narężenia, onieważ są naklejone wzdłużnie), a T i T4 są elementami biernymi (nie odlegają narężeniom, są naklejone orzecznie). Tensometry bierne służą tylko do komensacji wływu zmian temeratury, onieważ jak wsomnieno wcześniej, rezystancja tensometru zależy nie tylko od narężeń, ale także od temeratury. Komensacja jest możliwa dzięki zastosowaniu układu elektrycznego mostkowego, okazanego na rysunku 3b. Naięcie wyjściowe U m zależy od zmian rezystancji tensometrów. Temeratrura wływa na rezystancje wszystkich tensometrów w jednakowy sosób, nie owodując zmian naięcia wyjściowego U m, a narężenia owodują zmiany rezystancji tylko tensometrów czynnych T i T3, umieszczonych w rzeciwległych gałęziach układu, co srawia, że naięcie wyjściowe U m zależy od narężeń w elemencie srężystym. Istotnym czynnikiem ogarszającym dokładność omiaru jest niedokładnie osiowe rzyłożenie mierzonej siły do rzetwornika. Jeśli rzetwornik jest obciążony siłą osiową (w kierunku osi x), to ściany boczne ramki odkształcają się jednakowo (z uwzględnieniem znaku) dla siły ściskającej i rozciągającej. W rzyadku ukośnego rzyłożenia siły do czujnika, na ramkę 4 / 9

5 działa składowa osiowa siły x oraz składowa ortogonalna z. Składowa ortogonalna działająca w kierunku osi z wytwarza dodatkowy moment gnący w kolumnach ramki. W rezultacie na wyadkowe wydłużenia tensometrów składają się jednakowe dla obu kolumn odkształcenia wywołane składową osiową x mierzonej siły oraz równe co do wartości lecz o rzeciwnych znakach odkształcenia wywołane działaniem składowej z. Uzyskana wartość naięcia wyjściowego nie jest adekwatna do wartości rzyłożonej siły owstaje dodatkowy błąd omiaru. a) x b) x T3 z y z R T R T U z R T4 R T3 T4 T T U m Rys. 3. Szkic konstrukcji tensometrycznego czujnika siły (a), układ elektryczny ołączeń tensometrów (b) 4. Przetworniki ciśnienia Wśród rzetworników ciśnienia często stosowane są konstrukcje okazane schematycznie na rysunku 4, w których od wływem różnicy ciśnienia mierzonego i ciśnienia odniesienia o nastęuje odkształcenie odowiedniego elementu. Odkształcenie to rzetwarzane jest na arametr elektryczny w różny sosób, na rzykład orzez zastosowanie czujników tensometrycznych naklejonych na membranę (rys. 6a), rzetworników rzemieszczenia (indukcyjnościowych, jak na rys. 5 lub ojemnościowych rys. 6c) a) b) c) o o odkształcenie wydłużenie o ugięcie membrana tensometry Rys. 4. Najczęściej sotykane konstrukcje części mechanicznej rzetworników ciśnienia: z rurką Bourdona (a), mieszkowa (b) i z membraną srężystą (c). 5 / 9

6 Szkic ilustrujący szczegóły konstrukcji rzetwornika z rurką Bourdona rzedstawiono na rysunku 5. Ciśnienie (większe od ciśnienia atmosferycznego, zewnętrznego) dorowadzone do wewnętrznej części zamkniętej komory o kształcie zakrzywionej rurki owoduje odkształcenie ( rostowanie ) rurki. Przesuniecie końca rurki rzetwarzane jest na naięcie U wy za omocą indukcyjnościowego rzetwornika ołożenia. Naięcie wyjściowe jest roorcjonalne do mierzonego ciśnienia. Na rysunku okazano również wskazówkę, której kąt wychylenia zależy od odkształcenia rurki, czyli od różnicy ciśnień - o. Taki rzetwornik, wyosażony w odowiednią skalę, co umożliwia bezośredni odczyt mierzonego ciśnienia, nazywany jest manometrem, tj. rzyrządem omiarowym do omiaru ciśnienia. Zaletą rzetworników z rurką Bourdona jest liniowa charakterystyka, duża czułość, szeroki zakres omiarowy oraz duża wytrzymałość mechaniczna. Wadą jest niezbyt duża dokładność (nieewność omiaru % 5% zakresu) wynikająca z zależności właściwości srężystych materiału komory ciśnieniowej (rurki) od temeratury oraz luzów mechanicznych. rurka Bourdona A-A Srężyna i rzekładnia Skala króciec U wy ~ indukcyjnościowy rzetwornik ołożenia Rys. 5. Szkic konstrukcji manometru z rurką Bourdona U wy naięcie wyjściowe roorcjonlne do ciśnienia Istotne zwiększenie dokładności uzyskuje się w konstrukcjach bez mechanizmu wskazówkowego, okazanych schematycznie na rysunku 6. a) b) o T- T+ 3 T- T+ o / 9

7 Rys. 6. Wybrane konstrukcje czujników ciśnienia: czujnik tensometryczny uszkowy (a) i czujnik ojemnościowy różnicowy (b) komora ciśnieniowa, membrana (elektroda wewnętrzna), 3 tensometry, 4 elektrody zewnętrzne, 5 rzeust izolowany Odkształcenie komory ciśnieniowej rzetwarza się na zmiany rezystancji za omocą tensometrów T+ i T- (rys. 3a) lub zmiany ojemności kondensatorów różnicowych (rys. 6b). Tensometry zwykle racują w układzie mostka czteroramiennego zaś czujnik ojemnościowy racuje w transformatorowym układzie różnicowym wielkiej częstotliwości ze względu na małą ojemność rzetwornika. Wsółcześnie rozowszechnione są czujniki srężyste tyu uszkowego, w których część mechaniczna wykonana jest w ostaci monolitycznej. Element srężysty w tych czujnikach stanowi odłoże z dwutlenku krzemu, na którym znajdują się wdyfundowane iezorezystory ółrzewodnikowe, mające wsółczynniki iezoelektryczne o różnych znakach. Piezorezystory te zwykle ołączone są w układ mostka rezystancyjnego, analogicznie jak na rys. 3b. Czujniki monolityczne charakteryzują się małymi wymiarami, zwartą i wytrzymałą konstrukcją, dużą czułością, małą wrażliwością temeraturową, bardzo małą inercją oraz małą histerezą. Małe rozmiary scalonych czujników ciśnienia, duża sztywność elementu srężystego i bardzo małe odkształcenia ozwalają budować czujniki o zakresach omiarowych mniejszych od 0,0 MPa, a także rzekraczających 00 MPa. Na rysunku 7 okazano rzykład konstrukcji monolitycznego scalonego iezorezystancyjnego czujnika ciśnienia oraz mostkowe układy omiarowe. a) obudowa struktura czujnika b) U Z c) R S odłoże R+ R- Podłoże R- R+ U Z R P R+ R- Podłoże R- R+ R P rzeust izolacyjny R Z U m wyrowadzenie elektr. R S otwór wentylacyjny U m Rys. 7. Szkic konstrukcji iezorezystancyjnego czujnika ciśnienia (a), odstawowy mostkowy układ elektryczny czujnika (b) oraz układ z możliwością linearyzacji i rzesuwania charakterystyki rzetwarzania czujnika orzez dobór rezystorów omocniczych R P, R P, R S, R S, R Z (c). Coraz częściej stosuje się ółrzewodnikowe rzetworniki iezorezystancyjne zintegrowane konstrukcyjnie (jeden chi ) z układami elektronicznymi i ołączone z mikrorocesorowymi rzetwornikami sygnałów elektrycznych. Pozwala to nie tylko rzetwarzać mierzone ciśnienie na sygnał elektryczny, ale również, o odowiednim zarogramowaniu, wyznaczać automatycznie wiele innych arametrów badanego obiektu i wykonywać dodatkowe funkcje, n. rzesyłać wyniki za omocą wbudowanych interfejsów. Takie konstrukcje nazywane są inteligentnymi rzetwornikami omiarowymi. 7 / 9

8 5. Stanowiska laboratoryjne Stanowisko laboratoryjne do badania czujników siły Na rysunku 8 rzedstawiono szkic stanowiska laboratoryjnego do badania rzetworników siły. W ćwiczeniu laboratoryjnym bada się dwa rzemysłowe tensometryczne rzetworniki siły: nr na rysynku 8, o zakresie omiarowym 5 kn i nr 7, o zakresie 4 kn. Przetworniki są rzystosowane do omiaru sił rozciągających. Przetwornik rzymocowany jest odstawą do belki z rzędem równooddalonych otworów zaś jego trzień, jest ołączony orzez cięgno 3 z rzetwornikiem 7, zamontowanym w suorcie 4 maszyny wytrzymałościowej. Pokrętłem 5, orzez rzekładnie ślimakowe, rzesuwa się suort ustalając wymaganą wartość siły naciągu. Kąt rzyłożenia siły do rzetwornika ustala się wybierając odowiedni otwór mocowania rzetwornika w belce. Wartość siły wskazywanej dla rzetworników i 7 odczytuje się odowiednio na olu odczytowym rzyrządów 6 i 8. Przed rozoczęciem omiarów należy okrętłem 5 ustalić minimalny oczątkowy naciąg, rzy którym nie wystęują luzy w ołączeniach rzegubowych, a nastęnie należy wykonać zerowanie rzyrządów omiarowych 6 i Układ elektryczny 5 h Woltomierz cyfrowy 6 b Maszyna do badań wytrzymałościowych Rys. 8. Szkic stanowiska laboratoryjnego do badania czujników siły Badania rzerowadza się w dwóch etaach. W ierwszym etaie rzetwornik ełni rolę rzetwornika wzorcowego. Mocuje się go tak, aby siła działała osiowo. Wyznaczane są wówczas błędy wskazań rzetwornika 7 8 / 9

9 (srawdzanego) zamontowanego w maszynie wytrzymałościowej. Należy wyznaczyć orawki srawdzanego rzetwornika dla różnych wartości sił (ok. 0 w zakresie omiarowym). W drugim etaie rzetwornik 7 jest wzorcem (należy uwzględnić urzednio wyznaczone orawki), a wyznacza się dodatkowe błędy rzetwornika, wynikające z nieosiowego rzyłożenia siły. Pomiary owtarza się rzy różnych kątach rzyłożenia siły. Stanowisko laboratoryjne do badania rzetworników ciśnienia W układzie omiarowym do wzorcowania rzetworników ciśnienia i manometrów wykorzystuje się hydrauliczną instalację olejową, okazaną na rysunku 9, w której ciśnienie wzorcowe wytwarzane jest za omocą urządzenia tłokowo-wagowego rzy wykorzystaniu kalibrowanych ciężarków obciążających tłok. Działanie układu oarte jest na zasadzie rasy hydraulicznej. Pomiary olegają na zadawaniu wzorcowych wartości ciśnienia i odczytywaniu wskazań badanych rzyrządów. W oracowaniu wyników należy sorządzić wykres orawek i określić klasę dokładności badanych rzyrządów. Wskaźnik ołożenia tłoka Ciężarek wzorcowy Manometr badany Tłok Czujnik badany Naczynie wyrównawcze Zawór Poma olejowa Olej Rys. 9. Układ hydrauliczny do badania czujników ciśnienia. Oracowali: H. Urzędniczok, J. Leks, wersja / 9