Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 59 Politechniki Wrocławskiej Nr 59 Studia i Materiały Nr 26 2006 * Wojciech GROTOWSKIF Czujniki tensometryczne, stanowisko dydaktyczne DYDAKTYCZNE STANOWISKO POMIAROWE DO WYZNACZANIA PARAMETRÓW METROLOGICZNYCH CZUJNIKÓW TENSOMETRYCZNYCH W celu osiągnięcia dużej skuteczności w procesie dydaktycznym stosuje się różne formy dydaktyczne w przekazywaniu wiedzy. Jedną z takich form towarzyszących najczęściej wykładowi są zajęcia laboratoryjne. W artykule przedstawiono realizację stanowiska dydaktycznego do wyznaczania parametrów metrologicznych czujników tensometrycznych. Omówiony został cel dydaktyczny, konstrukcja stanowiska oraz możliwości pomiarowe. 1. CEL DYDAKTYCZNY STANOWISKA Czujniki tensometryczne są czujnikami powszechnie stosowanymi w pomiarach odkształceń, naprężeń, przemieszczeń. Znajdują zastosowanie w budowie prze- tworników sił, momentów mechanicznych, ciśnień, przyspieszeń. Są wykorzystywane w odpowiednich pomiarach w przemyśle samochodowym, maszynowym, lotniczym, budownictwie konstrukcji stalowych. Właściwe użycie czujników tensometrycznych wymaga nabycia pewnych umiejętności, poznania parametrów eksploatacyjnych i metrologicznych, technologii stosowania. Koncepcja dydaktycznego stanowiska pomiarowego, powinna uwzględniać ważniejsze problemy związane ze stosowaniem w technice pomiarowej tych czujników. Właściwe użycie czujników tensometrycznych wymaga wyboru ich parametrów w odniesieniu do spodziewanych warunków, miejsca umieszczenia, doboru sposobu montażu (klejenia), wyboru układu pomiarowego, umiejętności interpretacji uzyskanych rezultatów przetwarzania. Prezentowane stanowisko pomiarowe pozwala na zawrócenie uwagi (w różnym stopniu) na większość z wymienionych problemów. W opracowanej do stanowiska instrukcji dydaktycznej w części wstępnej przed- * Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, 50-372 Wrocław ul. Smoluchowskiego 19, HUwojciech.grotowski@pwr.wroc.plU
stawiono podstawy teoretyczne zjawisk zachodzących w czujnikach tensometrycznych ujednoliconych wymagań stawianych czujnikom tensometrycznym. Zwrócono uwagę na następujące parametry użytkowe: wymiary geometryczne, maksymalne dopuszczalne odkształcenie, wytrzymałość zmęczeniową, graniczne temperatury eksploatacji, maksymalne dopuszczalne natężenie prądu pomiarowego, pełzanie, odkształcenie pozorne w zależności od temperatury, rezystancję izolacji, odpowiednio je definiując i podając typowe przedziały wartości. Z dużej oferty czujników tensometrycznych do stanowiska pomiarowego wybrano tensometry foliowe typu 1-LY11-10/120 firmy Hottinger-Baldwin Messtechnik o parametrach: rezystancja 120 Ω ± 0,35 %, współczynnik czułości odkształceniowej 2,07 ± 1%, baza pomiarowa 10 mm, temperaturowy współczynnik zmian czułości 104 ± 10 [ 8 o C ], w zakresie temperatur 10 + 45 o C z kompensacją termiczną dla podłoża stalowego. Wraz z czujnikami otrzymano instrukcję montażu w postaci 15 minutowej prezentacji na płycie DVD. Prezentacji na płycie DVD pozwala na szybką sygnalizację problemu związaną z technologią montażu czujników na obiektach badanych. W instrukcji dydaktycznej do stanowiska zwrócono uwagę na konieczność stosowania odpowiednich klejów (najlepiej zalecanych przez producenta czujników) co uwarunkowane jest głównie użytymi materiałami do budowy czujników. Przystępując do opracowania koncepcji, a następnie realizacji stanowiska dydaktycznego zdecydowano się na zwrócenie uwagi na charakterystyki statyczne i termiczne układu pomiarowego. 2. KONSTRUKCJA STANOWISKA I JEGO MOŻLIWOŚCI POMIAROWE Układ pomiarowy (widok stanowiska rys. 1.) wykonano w ten sposób, że stanowi go jednostronnie zginana belka stalowa o równomiernych naprężeniach na całej długości.
Rys. 1. Widok stanowiska dydaktycznego Fig.1 Didactic post Właściwość tę uzyskano wyznaczając odpowiednie wymiary dla przyjętego materiału, jego grubości i długości belki. Układ stanowiska oprócz belki zawiera element umożliwiający zadawanie strzałki ugięcia wykonany z mechanizmu pomiarowego śruby mikrometrycznej oddziaływującego na osadzoną w oprawie umieszczonej na końcu belki kulkę stalową. Takie połączenie pozwala na minimalizację błędu wynikającego z ugięcia belki. Dodatkowo do oprawy pod spodem belki zamocowano szalkę umożliwiającą skalowanie układu pomiarowego w funkcji ciężaru (siły). Na belce zostały naklejone dwa tensometry (rozciągany i ściskany), a w części niepodlegającej odkształceniom miniaturowy czujnik temperatury typu PT-100. Całość zmontowano w obudowie ze szkła organicznego, do której przykręcono przełącznik pomiarowy z zaciskami i połączono z czujnikami na belce. Do pomiaru zmian rezystancji czujników wykorzystano multimetr HP 34401A (o rozdzielczości 6 i ½ cyfry z opcją pomiaru czteroprzewodowego).
Delta R/Ro=f(f) 0,001192 0,000992 Delta R/Ro 0,000792 0,000592 0,000392 0,000192-0,000008 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 f [mm] Rys. 2 Przykładowa charakterystyka ΔR/R0=f(f) dla tensometru rozciąganego Fig.2 Exemplary characteristic dr/r0=f(f) for a tensometer during the process of extension epsilon=f(f) 0,000592 0,000492 epsilon 0,000392 0,000292 0,000192 0,000092-0,000008 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 f [mm] Rys. 3. Przykładowa charakterystyka ε=f(f) dla tensometru ściskanego Fig.3 Exemplary characteristic e=f(f) for a tensometer during the process of compression
Przykładowe charakterystyki statyczne przedstawione zostały na rys. 3 i 4. W oparciu o wykonane pomiary i znajomość parametrów czujnika oraz belki można wyznaczyć zmienność przyrostu rezystancji tensometru [ = ( f ( f ))] w funkcji ΔR R strzałki ugięcia, względne odkształcenia belki, naprężenia a także wartość siły powodującej odkształcenia. Ponadto możliwe jest określenie błędów nieliniowości i histerezy układu pomiarowego. Druga część stanowiska umożliwia wyznaczenie charakterystyk temperaturowych czujników tensometrycznych. Wpływ temperatury dla czujników tensometrycznych definiowany jest przez określenie odkształcenia pozornego na zmianę temperatury o 1 o C. o Rys. 4. Element stanowiska do wyznaczania charakterystyk temperaturowych Fig.4 Elements of a post for temperature characteristic measurement Ponieważ zastosowano czujniki częściowo skompensowane termicznie dla podłoża stalowego (wyboru dokonuje się przy zamawianiu czujników), przewidziano badanie dwóch czujników tensometrycznych jednego trwale związanego z podłożem i drugiego umieszczonego na podłożu swobodnie. Płytka z tensometrami (rys.4.) zawiera
czujnik temperatury, a całość umieszcza się w termostacie. Uzyskane charakterystyki temperaturowe pozwalają na wyznaczenie względnego odkształcenia pozornego i porównanie z danymi katalogowymi. 3. PODSUMOWANIE Podsumowując, prezentowane stanowisko dydaktyczne do wyznaczania parametrów metrologicznych czujników tensometrycznych pozwala uzyskać spodziewany efekt dydaktyczny w omawianym zakresie. Od roku stosowane w laboratorium dydaktycznym charakteryzują się dużą trwałością i odpornością na uszkodzenia mechaniczne, gwarantując powtarzalność rezultatów LITERATURA [1] ROMER E., Miernictwo przemysłowe, PWN, Warszawa, 1972 [2] STYBURSKI W., Przetworniki tensometryczne, WNT, Warszawa, 1976 [3] HOFFMANN K., An Introduction to Measurements using Strain Gages, HBM GmbH, Darmstad, 1989 DIDACTIC POST FOR MEASUREMENT OF TENSOMETER METROLOGICAL PARAMETERS There may be applied many didactic methods to reach the maximum efficiency of the didactic process. One of the most common didactic form, apart from lectures, are exercises conducted in a laboratory. The article presents the realisation of a didactic post serving for measurement of tensometer metrological parameters.