Wydział Elektryczny, Katedra Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Laboratorium Przetwarzania i Analizy Sygnałów Elektrycznych

Transkrypt

1 Wydział Eektryczny, Katedra Mazyn, Napędów i Pomiarów Eektrycznych Laboratorium Przetwarzania i Anaizy Sygnałów Eektrycznych (bud A5, aa 310) Intrukcja da tudentów kierunku Automatyka i obotyka do zajęć aboratoryjnych Pomiary przemyłowe Ćwiczenie 3 (eria I) Pomiary tenometryczne 1

2 1 PODSTAWY TENSOMETII OPOOWEJ Efekt zmiany rezytancji przewodnika (drutu metaowego) od naprężenia zauważono w XIX wieku. Czujnik przetwarzający zmianę naprężenia na zmianę rezytancji nazywa ię tenometrem natomiat zjawiko efektem tenometrycznym. Praktyczne wykorzytanie efektu tenometrycznego ma miejce w czujnikach umożiwiających pomiar naprężenia i pośrednio innych wiekości np. momentu kręcającego, ciśnienia itd. W tenometrze drut metaowego o bardzo małej średnicy który poddawany jet odkztałceniom zmiana rezytancji jet proporcjonana do zadanego odkztałcenia gdy y Zaeżność naprężenia od odkztałceń z zaznaczonym zakreem toowaności prawa Hooke a pracuje on w granicach prężytości materiału oporowego. Zmiana rezytancji jet proporcjonana w zakreie toowaności prawa Hooke a ryunek 1.1 Wpółczynnikiem wiążącym naprężenie z wydłużeniem wzgędnym jet moduł prężytości Younga EY. EY W ceu pokazania związku pomiędzy zmianą naprężenia powodującego wydłużenie eementu a rezytancją połużono ię modeem czujnika przedtawionym na ryunku 1.2. d F d y 1.1. Mode tenometru waec rozciągany iłą F. Mode tenometru przedtawiono jako waec o średnicy d, rezytancji właściwej ρ, całkowitej długość i pou przekroju. ezytancja tenometru przed przyłożeniem iły jet równa (1) Dokonując ogarytmowania wzoru (1) otrzymuje ię 2

3 n = nρ+ n n (2) Natępnie różniczkując wyrażenie (2) otrzymuje ię: d d d d (3) da przyrotów kończonych: Δ Δρ = ρ Δ + oraz oznaczając - odkztałcenie wzgędne i iczbę Poiona v, Δ (4) (5) d d (6) da drutu o średnicy d poe przekroju jet równe: Otrzymuje ię natępujący wzór: 2 d (7) 4 d 2 v d (8) Podtawiając wyrażenie (6) do wyrażenia (8) otrzymuje ię 2 v (9) Podtawiając wyrażenie do wzoru (4) otrzymuje ię: 1 2 (10) Oraz podtawiając tałą tenometru K: (11) 3

4 Δρ 1 K = ( 1 + 2ν)+ ρ ε (12) Otrzymujemy ię otatecznie: K (13) Wzgędny przyrot rezytancji jet proporcjonany do ioczynu tałej tenometru K (wpółczynnika czułości tenometru) oraz odkztałcenia wzgędnego, eementu mierzonego, na którym umiezczony jet tenometr. Parametr K jet wiekością tałą i ściśe wynikającą z materiału użytego do kontrukcji tenometru. Zaeżność (12), opiują wiekość wpółczynnika czułości tenometru K, kłada ię z dwóch członów. Człon (+2ν) opiuje wpływ na wiekość wpółczynnika K zmian geometrycznych, 1 natomiat człon wpływ zmiany właściwości eektrycznych (rezytywności). Anaizując wpływ odkztałceń wzgędnych na metae, można twierdzić decydujący wpływ ma zmiana geometrycznych wymiarów, drutu z którego wykonano tenometr. Uwzgędniając fakt, że wpółczynnik Poiona więkzości metai wynoi ν 0,3, da tenometrów metaowych tała tenometru K 2. Stała tenometru zaeży od kładu materiału z jakiego jet wykonany tenometr. Przykładowe parametry tenometrów drutowych przedtawiono w tabicy 1. Makymane wydłużenie wzgędne tenometru w czaie pracy nie powinno być więkze od granicy proporcjonaności materiału z którego jet wykonany. Wpółczynnik temperaturowy zmian wartości rezytancji tenometru jet porównywanego rzędu co zmiana powodowana naprężeniem. Tabica 1. Parametry tenometrów drutowych materiał Kt x10-5 [1/ o C] te do Cu uv/ o C Manganin 0,5 3 0,4 4 Kontantan (40%Ni, 2, % Cu) Nichrom 2, (80%Ni, 20%Cr) Izoeatic (Ni, Cr, Fe, Mo) 3,6 17,5 4 8 max x ZASADY PZETWAZANIA WIELKOŚCI MECHANICZNYCH 2.1 Pomiar wiekości mechanicznych z wykorzytaniem techniki tenometrycznej Pomiar wiekości mechanicznych ub właściwości fizycznych prowadza ię do pomiarów odkztałceń wywołanych przez tę wiekość. Aby dokonać pomiaru wiekości mechanicznej naeży wybrać odpowiednią kontrukcję oraz metodę pomiarową w ceu reaizacji przetworzenia wiekości mierzonej na odkztałcenia eementu badanego. 4

5 Wiekość mierzona Odkztałcenie eementu prężytego Odkztałcenie tenometru Zmiana rezytancji tenometru +V B Pomiar Przetwarzanie wyniku pomiaru y.2.. Ciąg przekztałceń reaizowany przez przetworniki tenometryczne Opiując ciąg przekztałceń można powiedzieć że warunkiem pomiaru jet znajomość zaeżności pomiędzy odkztałceniem eementu prężytego a wiekością mierzoną. Najkorzytniejzą ytuacją jet iniowa zaeżność. Po umiezczeniu tenometru ub grupy tenometrów w odpowiedni poób na eemencie prężytym w wyniku oddziaływania na eement prężyty natępuje jego odkztałcenie, które przenoi ię na nakejony tenometr. Wytępujące w tenometrze odkztałcenie powoduje zmianę jego rezytancji. Przy odpowiedniej kontrukcji układu pomiarowego zmiana rezytancji jet wprot proporcjonana do wiekości mierzonej. Zmiana rezytancji jet mierzona w układzie pomiarowym a natępnie przekztałcana na wartość wiekości mierzonej (ryunek 2.1). y 2.2 Przetwornik do pomiaru iły ub przeunięcia - beka prota Anaizując układ do pomiarów okreśonej wiekości naeży zaznaczyć, że powinny być pełnione natępujące warunki: a) mui itnieć jednoznaczna zaeżność miedzy wiekością mierzoną a odkztałceniem eementu prężytego w zakreie pomiaru, który chcemy dokonać, najepiej gdy ta zaeżność jet iniowa b) układ mui być tak kontruowany aby nie była przekraczana wytrzymałościowa granica proporcjonaności w eemencie prężytym przy makymanych wartości wiekości mierzonej. y Schemat przetwornika do pomiaru iły w układzie ścikanym 2.2 Przekztałcanie iły Najbardziej rozpowzechnionym pomiarem przy wykorzytaniu techniki tenometrycznej jet pomiar iły. Schemat przetwornika reaizującego taki pomiar przedtawia ryunek 2.2. i 2.3 5

6 Siła F, która ma być zmierzona powoduje odkztałcenie eementu prężytego, który może być o przekroju kołowym, cyindrycznym ub protokątnym. Na tym eemencie nakeja ię tenometr a wytępujące w nim odkztałcenia ą takie ame jak odkztałcenia wytępujące w eemencie prężytym poddanym działaniu iły. Odkztałcenia ą proporcjonane do wartości działającej iły F. W efekcie tego, działająca na eement prężyty iła jet proporcjonana do zmiany rezytancji wytępującej wówcza w tenometrze. Kontrukcji przetworników do pomiaru iły jet wiee. Najbardziej rozpowzechnionym i wykorzytywanym nie tyko do pomiaru iły jet eement prężyty jednotronnie utwierdzony (yunek 2.2). Przy pomiarze iły eement ten jet poddawany zginaniu. Wytępujące wówcza odkztałcenia ą mierzone za pośrednictwem nakejonych w miejcu najwiękzych odkztałceń tenometrów. Takie rozwiązanie umożiwia pomiar bardzo małych ił. Jednak układ ten poiada pewną wadę, tzn. iniowa zaeżność, odkztałceń od działające iły wytępuje tyko w zakreie małych ugięć 2.3 Pomiar zmiany rezytancji tenometrów Wzgędna zmiana rezytancji tenometru powodowana zmianą naprężenia jet rzędu 0,01%-0,1%. Nie jet to duża zmiana rezytancji jednak można ją zmierzyć z dobrą dokładnością w układzie motkowym. Układ motka czteroramiennego jet podtawowym układem pomiarowym w przetwornikach tenometrycznych. Ponadto układ motkowy eiminuje wpływ temperatury na wynik pomiaru. Tenometry nakeja ię na obiekcie w taki poób aby wytępował eement rozciągany i ścikany. Gdy nie jet to możiwe to umiezcza ię na obiekcie dodatkowe tenometry, protopade do kierunku rozciągania. Służą one do kompenacji temperatury. + V B V B - + V B Vo + - Vo + - V o a) V B Vo 2 2 b) VB Vo 2 c) Vo V y 2.4. Konfiguracje motków tenometrycznych: a) z dwoma czujnikami o tym amym kierunku zmian rezytancji b) półmotek c) motek B 6

7 3 Program ćwiczenia 3.1 Pomiar rezytancji tenometrów Do zacików makiety podłączyć mutimetr ub inny o dużej rozdzieczości i możiwości pomiaru rezytancji w układzie 4 przewodowym. Włączyć 4 przewodowy pomiar rezytancji (da mutimetru nacinąć SHIFT a natępnie Ω4W ), Utawić makymaną rozdzieczość pomiaru ( SHIFT 6 ), Włączyć automatyczną zmianę zakrey (kawiz Auto/Man domyśnie jet włączona). Nie może wyświetać ię wkaźnik MAN na wyświetaczu. Zmierzyć temperaturę przed pomiarami przełącznik na makiecie w pozycji Pt100, Zmierzyć zaeżność rezytancji od trzałki ugięcia x tenometru ścikanego (przełącznik w pozycji tenometr ścikany ) a natępnie rozciąganego (przełącznik w pozycji tenometr ścikany ). Ugięcie utawiać śrubą mikrometryczną w zakreie od 0 do 25 mm. Zaecany krok 2mm. Przy utawianiu ugięcia obroty śrubą wykonywać tyko w jednym kierunku. Takie potępowanie umożiwi wyznaczenie hiterezy. Zmierzyć temperaturę po wykonaniu pomiarów. Tabea 3.1 Lp x[mm] [] [] /[] N/m W prawozdaniu a) Wyznaczyć zaeżność /o=f(x) i =f(x) wyniki przedtawić na wykreie- oznaczyć przebieg charakterytyki przy zwiękzaniu i zmniejzaniu ugięcia. b) Sprawdzić czy wytępuje hitereza. c) Zrobić wykre naprężenia jakie wytępuje na bece =f(x). Do obiczeń przyjąć moduł Younga Ey=200GPa 3.2 Badanie przetwornika iły A201 Tenometryczny czujnik iły A201 przeznaczony jet do pomiaru ił tatycznych ub wonozmiennych w warunkach aboratoryjnych i przemyłowych w układach automatyki i terowania. Czujnik działa na zaadzie pomiaru odkztałcenia prężytego eementu z nakejonymi tenometrami w układzie motkowym, czteroramiennym Wheattone a. Tenometryczny czujnik iły podłączony jet do kondycjonera, którego funkcją jet zaianie motka oraz wzmocnienie ygnału wyjściowego do zakreu pomiarowego wejścia anaogowego, modułowego ytemu pomiarowego ADAM Wynik pomiaru 7

8 przetwornikiem anaogowo-cyfrowym z modułu ADAM 5017 przeyłany jet portem S232 do programu w ceu wizuaizacji wyników pomiarowych. Uruchomić program Advantech Genie untime oraz wybrać pik A201.gni Uruchomić pomiar. Przy braku obciążenia utawić uwakiem wkazanie 0. Zwiękzać obciążenie dokładając ciężarki (krążki moiężne i auminiowe). Ciężarki zotały zważone. Maa zapiana jet na ciężarku. Tabea 3.2. m [g] Fw [N] Fx [N] N /Fzakre 0 F po korekcji po korekcji /Fzakre po korekcji 8

9 W prawozdaniu a) Wykreśić charakterytykę Fx(m) da przetwornika iły. b) Opiać zachowanie ię przetwornika po przekroczeniu zakreu pomiarowego. c) Znaeźć wpółczynnik korekcji błędu mutipikatywnego (nachyenie charakterytyki) tak aby różnice pomiędzy wartością wkazywaną przez przetwornik Fx a wzorcową Fw były najmniejze. Charakterytyki Fx=f(m) i Fw=f(m) umieścić na jednym wykreie. d) Wykreśić =f(m) przed i po korekcji. 4 Literatura. [1] Miłek Marian Metroogia eektryczna wiekości nieeektrycznych, Oficyna Wydawnicza Uniwerytetu Zieonogórkiego, 2006, [2] omer Edmund Miernictwo Przemyłowe PWN, Warzawa 1978 [3] Styburki Wiktor Przetworniki tenometryczne, kontrukcja, projektowanie użytkowanie WNT Warzawa [4] trony internetowe producentów tenometrów 9

10 5 Załącznik 1 10

11 11