Tenometri — tenzometrijski mjerni pretvarači

Senzor mjerača naprezanja — parametarski otpornički pretvarač koji pretvara deformaciju krutog tijela uzrokovanu mehaničkim naprezanjem na njega u električni signal.

Otporni manometar je baza s pričvršćenim osjetljivim elementom. Princip mjerenja naprezanja pomoću mjerača naprezanja je da se otpor mjerača naprezanja mijenja tijekom naprezanja. Učinak promjene otpora metalnog vodiča pod djelovanjem svestrane kompresije (hidrostatskog tlaka) otkrio je 1856. Lord Kelvin, a 1881. OD Hvolson.

U svom modernom obliku, mjerač naprezanja strukturno predstavlja otpornik naprezanja, čiji je osjetljivi element izrađen od materijala osjetljivog na napetost (žica, folija, itd.), fiksiran vezivom (ljepilo, cement) na dijelu koji se istražuje. (Slika 1). Za spajanje osjetnog elementa na električni krug, mjerač naprezanja ima žice.Neki mjerači naprezanja dizajnirani su za lakšu ugradnju, imaju podlogu smještenu između osjetljivog elementa i dijela koji se ispituje, kao i zaštitni element koji se nalazi iznad osjetljivog elementa.

Slika 1. Shema mjerača naprezanja: 1- osjetljivi element; 2- vezivo; 3- podloga; 4- istraženi detalj; 5- zaštitni element; 6- blok za lemljenje (zavarivanje); 7-žilno ožičenje

Uz svu raznolikost zadataka koji se rješavaju pomoću pretvornika mjerača naprezanja, mogu se razlikovati dva glavna područja njihove uporabe:

— proučavanje fizikalnih svojstava materijala, deformacija i naprezanja u dijelovima i konstrukcijama;

— korištenje mjerača naprezanja za mjerenje mehaničkih veličina koje se pretvaraju u deformaciju elastičnog elementa.

Prvi slučaj karakterizira značajan broj mjernih točaka napona, široki rasponi promjena parametara okoline, kao i nemogućnost kalibracije mjernih kanala. U ovom slučaju pogreška mjerenja je 2-10%.

U drugom slučaju senzori se kalibriraju prema izmjerenoj vrijednosti i pogreške mjerenja su u rasponu od 0,5-0,05%.

Najupečatljiviji primjer uporabe mjerača naprezanja je vaga. Vage većine ruskih i stranih proizvođača opremljene su mjeračima naprezanja. Mjerne vage koriste se u raznim industrijama: obojenoj i crnoj metalurgiji, kemijskoj, građevinskoj, prehrambenoj i drugim industrijama.

Princip rada elektroničkih vaga svodi se na mjerenje sile gravitacije koja djeluje na mjernu ćeliju pretvaranjem nastalih promjena, poput deformacije, u proporcionalni izlazni električni signal.

Široka uporaba tenzorskih otpornika objašnjava se nizom njihovih prednosti:

— mala veličina i težina;

— niska inercija, što omogućuje upotrebu mjerača naprezanja za statička i dinamička mjerenja;

— imaju linearnu karakteristiku;

— omogućiti mjerenje na daljinu i na više točaka;

— način njihove ugradnje na ispitivani dio ne zahtijeva složene uređaje i ne narušava polje deformacije ispitivanog dijela.

A njihov se nedostatak, a to je temperaturna osjetljivost, u većini slučajeva može nadoknaditi.

Vrste pretvarača i njihove značajke dizajna

Rad mjerača naprezanja temelji se na fenomenu učinka deformacije, koji se sastoji u promjeni aktivnog otpora žica tijekom njihove mehaničke deformacije. Karakteristika učinka deformacije materijala je koeficijent relativne osjetljivosti deformacije K, definiran kao omjer promjene otpora prema promjeni duljine vodiča:

k = er / el

gdje er = dr / r - relativna promjena otpora vodiča; el = dl / l — relativna promjena duljine žice.

Tijekom deformacije čvrstih tijela, promjena njihove duljine povezana je s promjenom volumena, a mijenjaju se i njihova svojstva, posebno vrijednost otpora. Stoga vrijednost koeficijenta osjetljivosti u općem slučaju treba izraziti kao

K = (1 + 2μ) + m

Ovdje veličina (1 + 2μ) karakterizira promjenu otpora povezanu s promjenom geometrijskih dimenzija (duljine i poprečnog presjeka) vodiča, i — promjenu otpora materijala povezanu s promjenom njegovih fizičkih Svojstva.

Ako se u proizvodnji tenzora koriste poluvodički materijali, osjetljivost je uglavnom određena promjenom svojstava materijala rešetke tijekom njegove deformacije i K »m i može varirati za različite materijale od 40 do 200.

Svi postojeći pretvarači mogu se podijeliti u tri glavne vrste:

— žica;

- folija;

- Film.

Žičani telemetri koriste se u tehnici mjerenja neelektričnih veličina u dva smjera.

Prvi smjer je korištenje efekta deformacije vodiča u stanju kompresije volumena, kada je prirodna ulazna vrijednost pretvarača tlak okolnog plina ili tekućine. U ovom slučaju, pretvarač je zavojnica žice (obično manganina) postavljena u području mjerenog tlaka (tekućina ili plin). Izlazna vrijednost pretvarača je promjena njegovog aktivnog otpora.

Drugi smjer je korištenje zateznog učinka zatezne žice izrađene od materijala osjetljivog na zatezanje. U ovom slučaju, senzori napona se koriste u obliku "slobodnih" pretvarača iu obliku lijepljenih.

"Slobodni" mjerači naprezanja izrađuju se u obliku jedne ili niza žica, učvršćenih na krajevima između pokretnih i nepokretnih dijelova i, u pravilu, istodobno obavljaju ulogu elastičnog elementa. Prirodna ulazna vrijednost takvih pretvarača je vrlo malo pomicanje pokretnog dijela.

Uređaj najčešćeg tipa mjerača naprezanja s vezanom žicom prikazan je na slici 2. Tanka žica promjera 0,02-0,05 mm, postavljena u cik-cak uzorku, zalijepljena je na traku tankog papira ili lakirane folije. Bakrene žice s olovom spojene su na krajeve žice. Gornji dio pretvarača prekriven je slojem laka i ponekad zapečaćen papirom ili filcom.

Pretvarač se obično ugrađuje tako da je svojom najdužom stranom usmjeren u smjeru mjerene sile. Takav pretvarač, zalijepljen na ispitni uzorak, opaža deformacije njegovog površinskog sloja. Dakle, prirodna ulazna vrijednost zalijepljenog pretvornika je deformacija površinskog sloja dijela na koji je zalijepljen, a izlazna je promjena otpora pretvornika proporcionalna toj deformaciji. Općenito, ljepljeni senzori se koriste puno češće nego nelijepljeni.

Slika 2 - mjerač naprezanja spojene žice: 1 - žica za naprezanje; 2- ljepilo ili cement; 3- podloga od celofana ili papira; 4-žilne žice

Mjerna baza pretvornika je duljina dijela koji zauzima žica. Najčešće korišteni pretvarači su baze od 5-20 mm s otporom od 30-500 ohma.

Osim najčešćeg konturnog dizajna mjerača naprezanja, postoje i drugi. Ako je potrebno smanjiti mjernu bazu pretvornika (na 3 - 1 mm), to se radi metodom namotavanja, koja se sastoji u namotavanju spirale žice osjetljive na opterećenje na trnu kružnog presjeka na cijevi od tanki papir. Ta se cijev zatim zalijepi, skine s trna, spljošti i žice se pričvrste na krajeve žice.

Kada je potrebno dobiti veliku struju iz strujnog kruga s termopretvaračem, često se koriste "snažni" mjerači naprezanja s namotanom žicom... Sastoje se od velikog broja (do 30 — 50) paralelno spojenih žica, razl. u velikim veličinama (duljina baze 150 — 200 mm) i omogućuju značajno povećanje struje koja prolazi kroz pretvarač (slika 3).

Crtež 3- Tenometar s malim otporom ("snažan"): 1 — žica za mjerenje naprezanja; 2- ljepilo ili cement; 3- podloga od celofana ili papira; 4 pinska žica

Žičane sonde imaju malu kontaktnu površinu s uzorkom (supstratom), što smanjuje struje curenja pri visokim temperaturama i dovodi do višeg izolacijskog napona između osjetljivog elementa i uzorka.

Mjerne ćelije od folije najpopularnija su verzija ljepljivih mjernih ćelija. Folijski pretvarači su traka folije debljine 4-12 mikrona, na kojoj je dio metala odabran jetkanjem na takav način da ostatak tvori olovnu rešetku prikazanu na slici 4.

U izradi takve rešetke može se predvidjeti bilo koji uzorak rešetke, što je značajna prednost folijskih tenzometara. Na slici 4, a prikazuje izgled folijskog pretvarača dizajniranog za mjerenje linearnih stanja naprezanja, na sl. 4, c - pretvornik folije zalijepljen na osovinu za mjerenje momenta, a na sl. 4, b - zalijepljen na membranu.

Crtež 4- Pretvarači folije: 1- petlje za podešavanje; 2- zavoji osjetljivi na vlačne sile membrane; 3- rotacije osjetljive na tlačne sile dijafragme

Ozbiljna prednost folijskih pretvarača je mogućnost povećanja poprečnog presjeka krajeva pretvarača; zavarivanje (ili lemljenje) žica može se u ovom slučaju izvesti mnogo pouzdanije nego kod žičanih pretvarača.

Folijski deformatori, u usporedbi sa žičanim, imaju veći omjer površine osjetljivog elementa i površine poprečnog presjeka (osjetljivost) i stabilniji su pri kritičnim temperaturama i trajnim opterećenjima. Velika površina i mali presjek također osiguravaju dobar temperaturni kontakt između senzora i uzorka, čime se smanjuje samozagrijavanje senzora.

Za izradu folijskih tenzometara koriste se isti metali kao i za telenometre (konstantan, nikrom, legura nikal-željezo itd.), a koriste se i drugi materijali, npr. legura titan-aluminij 48T-2 koja mjeri naprezanja do 12 %, kao i niz poluvodičkih materijala.

Filmski tenzori

Posljednjih godina pojavila se još jedna metoda za masovnu proizvodnju vezanih otpornih naprezanja, koja se sastoji od vakuumske sublimacije materijala osjetljivog na naprezanje i njegove naknadne kondenzacije na supstratu raspršenom izravno na radni komad. Takvi pretvarači se nazivaju filmski pretvarači. Mala debljina takvih mjerača naprezanja (15-30 mikrona) daje značajnu prednost pri mjerenju naprezanja u dinamičkom načinu rada na visokim temperaturama, gdje su mjerenja naprezanja specijalizirano područje istraživanja.

Brojni filmski mjerači naprezanja na bazi bizmuta, titana, silicija ili germanija izrađeni su u obliku jedne vodljive trake (slika 5).Takvi pretvornici nemaju nedostatak smanjenja relativne osjetljivosti pretvornika u usporedbi s osjetljivošću materijala od kojeg je pretvornik napravljen.

Slika 5- Film za mjerenje napetosti: 1- film za mjerač napetosti; 2- lak folija; 3-pinska žica

Koeficijent deformacije pretvornika na bazi metalnog filma je 2-4, a njegov otpor varira od 100 do 1000 ohma. Pretvarači izrađeni na bazi poluvodičkog filma imaju koeficijent reda 50-200 i stoga su osjetljiviji na primijenjeni napon. U ovom slučaju nema potrebe koristiti krugove pojačala, budući da je izlazni napon poluvodičkog mosta otpornika naprezanja približno 1 V.

Nažalost, otpor poluvodičkog pretvarača varira s primijenjenim naponom i u biti je nelinearan u cijelom rasponu napona, a također je jako ovisan o temperaturi. Dakle, iako je potrebno pojačalo kada se radi s deformatorom metalnog filma, linearnost je vrlo visoka i temperaturni učinak može se lako kompenzirati.