"Presnosť je zdvorilosť kráľov!" V súčasnosti je tento stredoveký francúzsky aforizmus stále aktuálnejší. Prístroje založené na tenzometrickej technológii sa čoraz častejšie používajú na presné meracie úlohy v priemysle a domácnostiach.
Obsah
Čo je technológia tenzometrov a na čo slúžia snímače zaťaženia?
Tenzometer (z latinského tensus - namáhaný) je metóda a technika na meranie napäťovo-deformačného stavu meraného objektu alebo konštrukcie. Ide o to, že mechanické napätie nie je možné merať priamo, takže úlohou je merať deformáciu objektu a vypočítať napätie pomocou špeciálnych techník, ktoré zohľadňujú fyzikálne vlastnosti materiálu.
Tenzometre sú založené na deformačnom efekte, čo je vlastnosť pevných materiálov meniť svoj odpor pri rôznych deformáciách. Tenzometre sú zariadenia, ktoré merajú pružnú deformáciu pevného telesa a premieňajú ju na elektrický signál. Tento proces nastáva, keď sa odpor vodiča snímača mení pri jeho rozťahovaní a stláčaní. Sú základným prvkom zariadení na meranie deformácií v pevných telesách (napr. v častiach strojov, konštrukciách, budovách).
Konštrukcia a princíp fungovania
Srdcom tenzometra je tenzometrický snímač, ktorý je vybavený špeciálnymi kontaktmi pripevnenými na prednej strane meracej bunky. Počas merania sa citlivé kontakty na paneli dotýkajú objektu. Táto deformácia sa meria a prevádza na elektrický signál, ktorý sa prenáša do spracovateľských a zobrazovacích prvkov tenzometra.
V závislosti od oblasti funkčného použitia sa snímače líšia typom aj druhom meranej hodnoty. Dôležitým faktorom je požadovaná presnosť merania. Napríklad snímač zaťaženia na váhe nákladného auta v pekárni sa nevyrovná elektronickej lekárenskej váhe, kde je dôležitá každá stotina gramu.
Pozrime sa bližšie na typy a druhy moderných tenzometrov.
Snímače krútiaceho momentu
Snímače krútiaceho momentu sú určené na meranie krútiaceho momentu rotujúcich častí, ako je kľukový hriadeľ motora alebo stĺpik riadenia. Snímače krútiaceho momentu môžu určovať statický aj dynamický krútiaci moment kontaktným alebo bezkontaktným (telemetrickým) spôsobom.
Nosníkové, konzolové a okrajové snímače zaťaženia
Tieto typy snímačov sú zvyčajne založené na paralelogramovej konštrukcii s integrovaným ohybovým prvkom pre vysokú citlivosť a linearitu merania. Tenzometre sú pripevnené k citlivým častiam pružného prvku snímača a sú zapojené do úplného mostíka.
Konštrukčne má tenzometer nosníka špeciálne otvory na nerovnomerné rozloženie zaťaženia a detekciu tlakových a ťahových deformácií. Na dosiahnutie maximálneho účinku sa tenzometre orientujú presne na povrch nosníka v jeho najtenšom bode pomocou špeciálnych značiek. Vysoko presné a spoľahlivé snímače zaťaženia tohto typu sa používajú na vytvorenie viacsenzorových meracích systémov v plošinových alebo zásobníkových váhach. Používajú sa aj v dávkovacích váhach, plničkách sypkých a kvapalných materiálov, meračoch napätia káblov a iných snímačoch zaťaženia.
Ťahové a tlakové snímače zaťaženia
Snímače zaťaženia v ťahu a tlaku majú zvyčajne tvar písmena S a sú vyrobené z hliníka alebo nehrdzavejúcej ocele. Určené pre zásobníkové váhy a váhy s meracím rozsahom od 0,2 do 20 ton. Ťahové a kompresné snímače typu S sa môžu používať v strojoch na výrobu káblov, tkanín a vlákien na monitorovanie ťahovej sily týchto materiálov.
Tenzometre z drôtu a fólie
Navinutý drôt Kolieskové tenzometre sú vyrobené vo forme zvitkov drôtu s malým priemerom a sú pripevnené k pružnému prvku alebo k skúšanému obrobku pomocou lepidla. Ich charakteristiky sú:
- jednoduchosť výroby;
- lineárna závislosť od deformácie;
- Malé rozmery a cena.
Nevýhodou je nízka citlivosť, vplyv teploty a vlhkosti na chybu merania, možnosť použitia len v oblasti pružnej deformácie.
Fólia Tenzometre sú v súčasnosti najrozšírenejším typom tenzometrov vďaka ich vysokým metrologickým vlastnostiam a možnosti výroby. Umožňuje to fotolitografická technológia ich výroby. Najmodernejšia technológia umožňuje vyrábať jednotlivé tenzometre so základňou už od 0,3 mm, špeciálne tenzometrické zásuvky a tenzometrické reťaze so širokým rozsahom pracovných teplôt od -240 do +1100 ºС v závislosti od vlastností materiálov použitých v meracej mriežke.
Výhody a nevýhody snímačov zaťaženia
Tenzometre sa široko používajú vďaka svojim vlastnostiam:
- Možnosť monolitického spojenia medzi tenzometrom a skúmaným obrobkom;
- Malá hrúbka meracieho prvku, ktorá umožňuje vysokú presnosť merania s chybou 1-3 %;
- jednoduchá montáž na rovné aj zakrivené povrchy;
- schopnosť merať dynamické deformácie s frekvenciou až do 50 000 Hz;
- schopnosť merať v náročných podmienkach prostredia v rozsahu teplôt od -240 do +1100˚C;
- Možnosť merať parametre súčasne v mnohých bodoch dielov;
- možnosť merania deformácií objektov nachádzajúcich sa vo veľkých vzdialenostiach od systémov na meranie deformácií;
- možnosť merania deformácie v pohyblivých (rotujúcich) častiach.
Nevýhody sú:
- vplyv meteorologických podmienok (teplota a vlhkosť) na citlivosť snímačov;
- nevýrazné zmeny odporu meracích prvkov (približne 1 %) si vyžadujú použitie zosilňovačov signálu.
- ak sa tenzometre používajú vo vysokoteplotnom alebo agresívnom prostredí, sú potrebné špeciálne opatrenia na ich ochranu.
Základné schémy pripojenia
Uvažujme o tom na príklade pripojenia tenzometrov k domácim alebo priemyselným váham. Štandardný snímač zaťaženia pre váhy má štyri rôzne sfarbené vodiče: dva vstupy sú napájacie (+Ex, -Ex), ďalšie dva sú meracie výstupy (+Sig, -Sig). Existujú aj varianty s piatimi vodičmi, kde ďalší vodič slúži ako tienenie pre všetky ostatné vodiče. Činnosť nosníkovej snímacej bunky je pomerne jednoduchá. Na vstupy sa privádza napájanie a z výstupov sa odoberá napätie. Veľkosť napätia závisí od zaťaženia meracieho snímača.
Ak je dĺžka vodiča od snímača zaťaženia k jednotke ADC značná, potom odpor samotných vodičov ovplyvní odčítanie stupnice. V tomto prípade je vhodné pridať spätnoväzbový obvod, ktorý kompenzuje pokles napätia korekciou chyby odporu vedenia vnesenej do meracieho obvodu. V tomto prípade bude mať schéma zapojenia tri páry vodičov: napájací, merací a kompenzačný.
Príklady aplikácií tenzometrov
- Komponent pri konštrukcii váh.
- Meranie deformačných síl pri tvárnení kovov na kovacích lisoch a valcovniach.
- Monitorovanie napäťovo-deformačných stavov stavebných konštrukcií a stavieb počas ich montáže a prevádzky.
- Vysokoteplotné snímače z tepelne odolnej legovanej ocele pre hutnícke závody.
- s pružným prvkom z nehrdzavejúcej ocele na merania v chemicky agresívnom prostredí.
- Na meranie tlaku v ropovodoch a plynovodoch.
Jednoduchosť, pohodlie a spracovateľnosť snímačov zaťaženia sú hlavnými faktormi ich ďalšieho aktívneho zavádzania do metrologických procesov, ako aj používania v každodennom živote ako meracích prvkov domácich spotrebičov.
Súvisiace články:
