Измервателни инструменти и системи, използвани в научните изследвания
ТЕМА 5. Обхванати теми:Измервателни инструменти и системи, използвани в научните изследвания; Оборудване за измерване на параметри; Сензори (първични преобразуватели);Измерване на сили с помощта на тензометричен мост;Калибриране на измервателни системи; Абсолютна и относителна грешка при измерване.
За извършване на експериментални изследвания най-често е необходимо обектът на изследване да функционира при дадени условия и при дадени режими на работа, точно при тези условия и в тези режими, които представляват най-голям интерес за изследователя. За това, в зависимост от целта на изследването, обектът на изследване се подлага на експериментални изследвания:
- или в условията на неговата експлоатация;
- или полеви изпитвания (на специализирани полигони);
- или стендови тестове (в лаборатории, на специални стендове).
Във всеки от изброените видове експериментални изследвания се използва специално оборудване. В първите два случая по правило задачата е:
а) измерване (регистриране) на контролирани параметри;
б) тяхната обработка (усилване, мащабиране и др.);
в) визуализация (извеждане на резултатите от измерването на екрана, дисплей);
г) съхранение на получената информация.
Измерването (регистрирането) на контролираните параметри се извършва с помощта на специални измервателни сензори (първични преобразуватели). Обикновено сензорите преобразуват измерените физически параметри в електрически сигнали (например: налягане на флуида - в електрически ток; или температура - в електрическо напрежение; или изместване - в съпротивление и т.н.). Това се прави за удобство при обработка и запис на измерените параметри, както и за предаване на сигнал.сензори на определени разстояния (например от обекта на изследване до изследователя).
Като пример, на фиг. 14 показва някои видове първични преобразуватели.
След първоначалното преобразуване сигналите от сензорите се усилват чрез преминаването им през специални електронни усилватели.
Ориз. 14 Външен вид на сензори (първични преобразуватели): а) - тензодатчици (преобразуват напрежението в металите в промяна на съпротивлението); б) сензор "Optocoupler" (преобразува ъгъла (скоростта) на въртене на вала, диска, в правоъгълни електрически импулси); в) индуктивен сензор (преобразува скоростта на въртене в еквивалентна последователност от електрически сигнали); г) сензор за измерване на силата (преобразува силата в промяна на съпротивлението).
След усилване сигналите се подават към устройства или записващи системи. Като инструменти могат да се използват аналогови и цифрови волтметри, амперметри, омметри. Системите за запис са компютри, осцилоскопи и др.
Измерване на сила с тензометричен мост
Практическото измерване на силаFсе свежда до измерване на тензометричния тензометричен датчик, като се използва формулата:
където ε е деформацията на сензора в резултат на силатаF;
E- модул на еластичност от първи род.
За измерване на сили се използват тензометрични преобразуватели (тензодатчици). Тензодатчиците (фиг. 15) са фолио 1, изработено от специална сплав (константан), залепено върху специална изолационна подложка 2. Свързващите проводници 3 са запоени към краищата на константановото фолио 1.
Ориз. 15. Външен вид на тензометрични преобразуватели (тензодатчици)
Преобразувателите на тензодатчици са залепениизпитваната част и техните свързващи проводници се захранват със стабилизирано електрическо напрежение. Ако например дадена част се разтегне по време на натоварване, тогава заедно с нея се разтяга и фолиото на тензодатчика. Принципът на работа на тензодатчиците се основава на факта, че когато се удължи, електрическото му съпротивление се увеличава, намалявайки тока, преминаващ през сензора съгласно закона на Ом:
(2.2)
къдетоIе силата на тока във веригата;
U– напрежение, подавано към датчика;
R- електрическо съпротивление на проводника.
Силата на тока, преминаващ през тензодатчика, се записва с амперметър. В този случай големината на тока ще бъде пропорционална на деформацията ε на детайла. Стойността на тази пропорционалност се определя предварително чрез отделен експеримент. По този начин, в процеса на излагане на детайла на силаF, той се деформира със стойността ε. Съпротивлението на тензодатчика се променя със стойността ΔRи в резултат на това токът, преминаващ през тензодатчика, се променя.
Деформацията на частта обаче е много малка. Също така много малка е промяната ΔRна съпротивлението на тензодатчика. То е приблизително 0,01% от абсолютната стойност на съпротивлението на динамометричната клеткаRили:
Това е много малка сума. Следователно, ако обозначим стойността на тока, преминаващ през сензора, катоI, тогава в резултат на промяна на съпротивлението на сензора с много малка стойност ΔR, токът ще се промени със стойността ΔI.
ΔIе много малка стойност по отношение наIи също съставлява стотни от процента от него. Следователно, един от недостатъците на тензодатчика е необходимостта от осигуряване на голяма дължина на проводника (колкото по-дълго е фолиото, толкова по-голяма е промяната в съпротивлението ΔRна тензодатчика, толкова по-чувствителен е той към силатаF).
В допълнение, електрическиСъпротивлението на проводника силно зависи от неговата температура и следователно от температурата на околната среда.
Възможно е да се намалят размерите на проводника, като се сгъне в спирала и се закрепи с лепило (виж фиг. 16).
За да не се отразяват двата основни недостатъка (температура и ток) на резултатите от измерването на силата F, тензодатчиците са монтирани в мостова верига (фиг. 16, а).Мостовата верига ви позволява да измервате не абсолютната стойност на тока, преминаващ през сензоритеI, но самопроменливанеговата част ΔI.В мостова верига се монтира устройство за измерване на ток, така че през него да не преминава голям захранващ ток. Това направи възможно инсталирането на много по-чувствително устройство - микроамперметър.
Нека разгледаме принципа на работа на измервателния мост(измервателен мост на Уитстоун).Предпоставка за линейната работа на моста е, че четири тензодатчика, монтирани в моста, първоначално имат еднакво съпротивлениеR1=R2=R3=R4.
Ориз. 16. Измервателен тензометричен мост
Електрическият ток, подаден към един от диагоналите на моста (точки B и D), следващ от "+" до "─", съгласно закона на Кирхоф, се отклонява еднакво в точка B в две посоки, следвайки точките A и C, отива към точка D. Тъй като съпротивленията на тензодатчиците са равни, напреженията в точките А и С също са равни. Следователно няма разлика в напрежението между точките A и C (на втория диагонал на моста). Следователно през микроамперметъраμAне протича ток. Мостът в този случай е в балансирано състояние.
За измерване на силатаF, тензометрични преобразуватели се залепват върху повърхността на тензометрична греда (лъч с равенустойчивост на огъване на края), както е показано на фиг. 16б. Силата на огъванеF, действаща върху гредата на тензодатчика, я деформира. По време на деформация горните влакна на тензометричната греда със залепени към нея тензометрични преобразувателиR1 иR2 се разтягат. В този случай долните влакна с тензометрични преобразувателиR3 иR4, залепени към долната повърхност на тензометричния лъч, се компресират.
Под силатаFгорните влакна на лъча, заедно със сензоритеR1 иR2, се разтягат. Електрическотосъпротивление на сензоритеR1иR2се увеличава.Според закона на Кирхоф, повече ток ще тече от точка B по пътя с по-малко съпротивление през точка C. В този случай напрежението в точка C ще стане по-високо, отколкото в точка A. Дисбаланс на s ще се появи мост с габарит на влака. Под въздействието на разликата в напрежението между точките C и A, малка част от тока ще премине през микроамперметъраμAот точка C до точка A и по-нататък към D. Микроамперметърът ще покаже големината на този ток.
Трябва да се помни, че долните влакна, със сензориR3 иR4, залепени към долната повърхност на гредата на тензодатчика, са компресирани. Електрическотосъпротивление на сензоритеR3иR4намалява. В резултат на това разликата в напрежението между точките C и A ще се увеличи още повече. Под въздействието на разликата в напрежението между точки C и A, количеството ток, преминаващ през микроамперметъраμAот точка C до точка A, ще се увеличи.
Трябва да се помни, че големината на промяната в съпротивлението на тензодатчиците ΔRе право пропорционална на деформацията ε, която от своя страна е право пропорционална на действащата силаF. Следователно измервателният микроамперметър μA ще покаже тока на дисбаланс на моста, чиято стойност ще бъде право пропорционална на тока натензометрична силаF.
По този начин, колкото по-голяма е силатаF, толкова по-голяма е деформацията на гредатаε, тензодатчиките се деформират пропорционално, толкова по-голяма е текущата стойност, която се показва от микроамперметъра. Тоест, показанията на устройството отразяват пряко пропорционално големината на силата, действаща върху лъчаF.
Тензометрични мостове, при които и четирите тензодатчика участват в измерването на силите (и четирите са подложени на опън и натиск), се наричат четворно активни.
Тензометрични мостове, при които два тензодатчика участват в измерването на силите (например: самоR1иR2), се наричат двойно активни. За да се осигури термична компенсация на двойно активни мостове, техните неактивни сензори (R3иR4) са залепени върху същата греда, само перпендикулярно на посоката на деформация.
Натоварващи мостове, при които само една тензометрична клетка участва в измерването на силите (например: самоR1), се наричат веднъж активни.За да се осигури термична компенсация на веднъж активни мостове, техните неактивни сензори (R2,R3иR4) са залепени върху една и съща греда, само перпендикулярно на посоката на деформация.
Тензометрично балансиране на мост.За да бъде балансиран тензометричният мост, е необходимо напреженията в неговите точки A и C да са равни, т.е.:
Изпълнението на това условие се осигурява само ако съпротивленията са абсолютно равни:
Това условие е практически невъзможно да се изпълни по две причини. Първо, няма дори две абсолютно еднакви съпротивления. Второ, дори ако беше възможно да вземете четири тензодатчика с едно и същосъпротивления, то след като бъдат залепени към тензометричната греда, техните съпротивления ще се променят поради деформации от действието на лепилото.
Следователно, след залепване на сушенето и свързване на тензодатчиците, напреженията в точкитеAиCне са равни и тензодатчикът се нуждае от принудително балансиране.Основната задача на балансирането на тензодатчика е да се осигури еднаквост на напреженията в точките A и C. 17а).
Основният (балансиращ) резистор е променлив резисторR7. За балансиране на моста е необходимо да преместите подвижния контакт на резисторR7 или към резисторR5, или към резисторR6. В случай, че подвижният контакт на променливия резисторR7 се движи към резистораR5, напрежението в точкатаAсе увеличава. В случай, че подвижният контакт на променливия резисторR7 се движи към резистораR6, напрежението в точкатаAнамалява.