Tenometre — tenzometrické meracie prevodníky

Tenzometrický snímač — parametrický odporový prevodník, ktorý premieňa deformáciu tuhého telesa spôsobenú mechanickým namáhaním, ktoré naň pôsobí, na elektrický signál.

Odporový tlakomer je základňa s pripojeným citlivým prvkom. Princíp merania deformácie pomocou tenzometra spočíva v tom, že odpor tenzometra sa počas deformácie mení. Vplyv zmeny odporu kovového vodiča pri pôsobení všestrannej kompresie (hydrostatického tlaku) objavil v roku 1856 Lord Kelvin a v roku 1881 OD Hvolson.

Tenzometer vo svojej modernej podobe štrukturálne predstavuje tenzometrický rezistor, ktorého citlivý prvok je vyrobený z materiálu citlivého na ťah (drôt, fólia a pod.), upevnený spojivom (lepidlo, cement) na skúmanom diele. (Postava 1). Na pripojenie snímacieho prvku k elektrickému obvodu má tenzometer vodiče.Niektoré tenzometre sú navrhnuté pre jednoduchšiu inštaláciu, majú podložku umiestnenú medzi citlivým prvkom a skúšanou časťou, ako aj ochranný prvok umiestnený nad citlivým prvkom.

Obrázok 1 Schéma tenzometra: 1- citlivý prvok; 2- spojivo; 3- substrát; 4- skúmaný detail; 5- ochranný prvok; 6- blok na spájkovanie (zváranie); 7-vodičové vedenie

So všetkými rôznymi úlohami riešenými pomocou tenzometrických prevodníkov možno rozlíšiť dve hlavné oblasti ich použitia:

— štúdium fyzikálnych vlastností materiálov, deformácií a napätí v častiach a konštrukciách;

— použitie tenzometrov na meranie mechanických hodnôt, ktoré sa premieňajú na deformáciu elastického prvku.

Prvý prípad je charakterizovaný značným počtom bodov merania napätia, širokým rozsahom zmien parametrov prostredia, ako aj nemožnosťou kalibrácie meracích kanálov. V tomto prípade je chyba merania 2-10%.

V druhom prípade sú senzory kalibrované podľa nameranej hodnoty a chyby merania sú v rozmedzí 0,5-0,05%.

Najvýraznejším príkladom použitia tenzometrov je rovnováha. Váhy väčšiny ruských a zahraničných výrobcov sú vybavené tenzometrami. Váhy na snímače zaťaženia sa používajú v rôznych odvetviach: metalurgia neželezných a železných kovov, chemický, stavebný, potravinársky a iný priemysel.

Princíp činnosti elektronických váh je redukovaný na meranie gravitačnej sily pôsobiacej na silomer prevedením výsledných zmien, ako je deformácia, na proporcionálny výstupný elektrický signál.

Široké použitie tenzorových odporov sa vysvetľuje niekoľkými ich výhodami:

— malé rozmery a hmotnosť;

— nízka zotrvačnosť, ktorá umožňuje použitie tenzometrov na statické aj dynamické merania;

— mať lineárnu charakteristiku;

— umožniť meranie na diaľku a na mnohých miestach;

— spôsob ich inštalácie na skúmanú súčiastku nevyžaduje zložité zariadenia a nenarúša deformačné pole skúmanej súčiastky.

A ich nevýhoda, ktorou je teplotná citlivosť, sa dá vo väčšine prípadov kompenzovať.

Typy meničov a ich konštrukčné vlastnosti

Činnosť tenzometrov je založená na jave deformačného efektu, ktorý spočíva v zmene aktívneho odporu drôtov pri ich mechanickej deformácii. Charakteristikou deformačného účinku materiálu je koeficient relatívnej deformačnej citlivosti K, definovaný ako pomer zmeny odporu k zmene dĺžky vodiča:

k = er / el

kde er = dr / r — relatívna zmena odporu vodiča; el = dl / l — relatívna zmena dĺžky drôtu.

Pri deformácii pevných telies je zmena ich dĺžky spojená so zmenou objemu a menia sa aj ich vlastnosti, najmä hodnota odporu. Preto by mala byť hodnota koeficientu citlivosti vo všeobecnom prípade vyjadrená ako

K = (1 + 2 u) + m

Tu veličina (1 + 2μ) charakterizuje zmenu odporu spojenú so zmenou geometrických rozmerov (dĺžky a prierezu) vodiča a — zmenu odporu materiálu spojenú so zmenou jeho fyzikálneho vlastnosti.

Ak sa pri výrobe tenzora použijú polovodičové materiály, citlivosť je daná najmä zmenou vlastností materiálu mriežky pri jej deformácii a K»m a môže sa meniť pre rôzne materiály od 40 do 200.

Všetky existujúce prevodníky možno rozdeliť do troch hlavných typov:

— drôt;

— fólia;

- film.

Drôtové telemetre sa používajú v technike merania neelektrických veličín v dvoch smeroch.

Prvým smerom je využitie deformačného účinku vodiča v stave objemovej kompresie, kedy prirodzenou vstupnou hodnotou prevodníka je tlak okolitého plynu alebo kvapaliny. V tomto prípade je prevodníkom cievka drôtu (zvyčajne manganín) umiestnená v oblasti meraného tlaku (kvapalina alebo plyn). Výstupná hodnota meniča je zmena jeho aktívneho odporu.

Druhým smerom je využitie napínacieho účinku napínacieho drôtu vyrobeného z materiálu citlivého na napätie. V tomto prípade sa snímače napätia používajú vo forme "voľných" prevodníkov a vo forme lepených.

"Voľné" tenzometre sú vyrobené vo forme jedného alebo radu drôtov, upevnených na koncoch medzi pohyblivými a nepohyblivými časťami a spravidla súčasne plnia úlohu elastického prvku. Prirodzenou vstupnou hodnotou takýchto meničov je veľmi malý pohyb pohyblivej časti.

Zariadenie najbežnejšieho typu viazaného drôteného tenzometra je znázornené na obrázku 2. Tenký drôt s priemerom 0,02-0,05 mm, uložený cik-cak, je nalepený na pásik tenkého papiera alebo lakovej fólie. Olovené medené drôty sú pripojené ku koncom drôtu. Horná časť prevodníka je pokrytá vrstvou laku a niekedy zapečatená papierom alebo plsťou.

Prevodník sa zvyčajne inštaluje tak, že jeho najdlhšia strana je orientovaná v smere meranej sily. Takýto menič, prilepený na skúšobnú vzorku, vníma deformácie svojej povrchovej vrstvy. Prirodzenou vstupnou hodnotou lepeného meniča je teda deformácia povrchovej vrstvy dielu, ku ktorému je prilepený, a výstupom je zmena odporu meniča úmerná tejto deformácii. Vo všeobecnosti sa lepené snímače používajú oveľa častejšie ako nelepené.

Obrázok 2 - viazaný drôtový tenzometer: 1 - tenzometrický drôt; 2- lepidlo alebo cement; 3- celofánový alebo papierový podklad; 4-vodičové vodiče

Meracia základňa prevodníka je dĺžka časti obsadenej drôtom. Najčastejšie používané meniče sú 5-20 mm základne s odporom 30-500 ohmov.

Okrem najbežnejšieho dizajnu obrysového tenzometra existujú aj ďalšie. Ak je potrebné zmenšiť meraciu základňu prevodníka (na 3 — 1 mm), robí sa to metódou navíjania, ktorá spočíva v navinutí špirály z drôtu citlivého na zaťaženie na tŕň kruhového prierezu na rúrku zn. tenký papier. Táto trubica sa potom prilepí, vyberie z tŕňa, sploští a na konce drôtu sa pripevnia drôty.

Keď je potrebné získať veľký prúd z obvodu s termomeničom, často používajú "Výkonné" tenzometre s vinutým drôtom... Pozostávajú z veľkého počtu (až 30 — 50) paralelne zapojených vodičov, líšia sa vo veľkých veľkostiach (dĺžka základne 150 — 200 mm) a umožňujú výrazné zvýšenie prúdu prechádzajúceho meničom (obrázok 3).

Nákres 3- Tenometer s nízkym odporom ("výkonný"): 1 — tenzometrický drôt; 2- lepidlo alebo cement; 3- celofánový alebo papierový podklad; 4 pinový drôt

Drôtené sondy majú malú kontaktnú plochu so vzorkou (substrát), čo znižuje zvodové prúdy pri vysokých teplotách a vedie k vyššiemu izolačnému napätiu medzi citlivým prvkom a vzorkou.

Fóliové snímače zaťaženia sú najobľúbenejšou verziou adhéznych snímačov zaťaženia. Fóliové meniče sú pásik fólie s hrúbkou 4-12 mikrónov, na ktorom je časť kovu vybraná leptaním takým spôsobom, že zvyšok tvorí olovenú mriežku znázornenú na obrázku 4.

Pri výrobe takejto mriežky je možné predvídať akýkoľvek vzor mriežky, čo je významnou výhodou fóliových tenzometrov. Na obrázku 4 a ukazuje vzhľad fóliového prevodníka navrhnutého na meranie lineárnych stavov napätia, na obr. 4, c — fóliový prevodník nalepený na hriadeli na meranie krútiacich momentov a na obr. 4, b — prilepené k membráne.

Nákres 4- Fóliové meniče: 1- nastavovacie slučky; 2- ohyby citlivé na ťahové sily membrány; 3- rotácie citlivé na tlakové sily membrány

Vážnou výhodou fóliových konvertorov je možnosť zväčšenia prierezu koncov konvertora; zváranie (alebo spájkovanie) drôtov sa dá v tomto prípade vykonať oveľa spoľahlivejšie ako pri drôtových meničoch.

Fóliové deformátory v porovnaní s drôtenými majú vyšší pomer povrchu citlivého prvku k ploche prierezu (citlivosť) a sú stabilnejšie pri kritických teplotách a trvalom zaťažení. Veľký povrch a malý prierez tiež zaisťujú dobrý teplotný kontakt medzi snímačom a vzorkou, čo znižuje samovoľné zahrievanie snímača.

Na výrobu fóliových tenzometrov sa používajú rovnaké kovy ako na telenometre (konštantan, nichróm, zliatina niklu a železa a pod.), používajú sa aj iné materiály, napríklad zliatina titánu a hliníka 48T-2, ktorá meria deformácie do 12 %, ako aj množstvo polovodičových materiálov.

Filmové tenzory

V posledných rokoch sa objavil ďalší spôsob hromadnej výroby lepených odporových kmeňov, ktorý spočíva vo vákuovej sublimácii materiálu citlivého na namáhanie a jeho následnej kondenzácii na substráte nastriekanom priamo na obrobok. Takéto prevodníky sa nazývajú filmové prevodníky. Malá hrúbka takýchto tenzometrov (15-30 mikrónov) poskytuje významnú výhodu pri meraní deformácií v dynamickom režime pri vysokých teplotách, kde sú merania deformácií špecializovanou oblasťou výskumu.

Množstvo filmových tenzometrov na báze bizmutu, titánu, kremíka alebo germánia bolo vyrobených vo forme jedného vodivého pásika (obrázok 5).Takéto prevodníky nemajú nevýhodu zníženia relatívnej citlivosti prevodníka v porovnaní s citlivosťou materiálu, z ktorého je prevodník vyrobený.

Obrázok 5 - Tenzometrický film: 1 - tenzometrický film; 2- laková fólia; 3-kolíkový drôt

Tenzometrický koeficient prevodníka na báze kovovej fólie je 2-4 a jeho odpor sa pohybuje od 100 do 1000 ohmov. Prevodníky vyrobené na báze polovodičového filmu majú koeficient rádovo 50-200 a sú teda citlivejšie na aplikované napätie. V tomto prípade nie je potrebné používať zosilňovacie obvody, pretože výstupné napätie polovodičového mostíka deformácie a odporu je približne 1 V.

Bohužiaľ, odpor polovodičového meniča sa mení s aplikovaným napätím a je v podstate nelineárny v celom rozsahu napätia a je tiež vysoko závislý od teploty. Aj keď je pri práci s deformátorom kovového filmu potrebný zosilňovač, linearita je veľmi vysoká a teplotný efekt sa dá ľahko kompenzovať.