dydaktyczne stanowisko pomiarowe do wyznaczania parametrów

Nr 59
Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Politechniki Wrocławskiej
Nr 59
Studia i Materiały
Nr 26
2006
Czujniki tensometryczne, stanowisko dydaktyczne
Wojciech GROTOWSKI *
F
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, [email protected]
HU
U
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 oC , w zakresie tem-
[ ]
o
peratur – 10 ÷ + 45 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
Delta R/Ro
0,000992
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
epsilon
0,000492
0,000392
0,000292
0,000192
0,000092
-0,000008
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
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
25,0
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 [
ΔR
= ( f ( f )) ] w funkcji
Ro
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 oC.
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.