Ustalenie napięcia wzbudzenia tensometru.

Ustalenie napięcia wzbudzenia tensometru.
Maksymalne dopuszczalne oraz skuteczne napięcie wzbudzenia mostka tensometrycznego,
czy pojedynczego tensometru (SG) jest ważnym parametrem, który podany jest
w specyfikacji. Co oznacza ta wartość, jak jest obliczana i co musi być brane pod uwagę
w rzeczywistych zastosowaniach?
Tensometry jako elementy grzewcze
Kiedy naprężenie jest mierzone przy użyciu tensometrów w mostku Wheatstone'a,
zachowują się one jak rezystory elektryczne. Przyłożone napięcie prowadzi do utraty mocy
w postaci ciepła wydzielającego się na siatce pomiarowej tensometru.
Ciepło musi być rozproszone, gdyż od nadmiernego ciepła w tensometrze wyniki pomiarów
tensometrycznych opatrzone są błędami pomiarowymi. Błędy te wynikają z:
Pozornego naprężenia występującego na skutek rozszerzalności cieplnej tensometru,
które przejawia się jako dryft zera.
Pogorszenia właściwości samo-kompensacji temperaturowej w tensometrze
w wyniku nadmiernych różnic w rozszerzalności cieplnej korpusu pomiarowego,
a naklejonego na nim tensometru.
Przekroczenie granicznej temperatury (np. kleju) poprzez dodatkowe ogrzewanie,
występujące np. przy wykonywaniu pomiarów w zakresie wysokich temperatur.
Istotne jest, aby określić rozsądne granice, tj. maksymalne dopuszczalne napięcie skuteczne
wzbudzenia, ponieważ ogrzewania tensometru nie można całkowicie uniknąć. Przestrzeganie
tych wartości gwarantuje minimalny błąd pomiaru.
W poniższym przykładzie, wzrost temperatury w porównaniu z korpusem pomiarowym do
5 ° C, jest tolerowany. Zakładając, że pomiary wykonano w temperaturze pokojowej,
otrzymany błąd pomiaru jest mniejszy niż 1 µm / m. Nawet w najbardziej niekorzystnym
przypadku, w zakresie od najwyższej dopuszczalnej temperatury dla tensometru, błąd
zazwyczaj jest mniejszy niż 10 µm / m.
Czynniki, które wpływają na ogrzewanie
Następujące czynniki mają istotny wpływ na ogrzewanie, a tym samym na maksymalne
dopuszczalne napięcie wzbudzenia mostka Umax:
1. Oporność tensometru R - wyższa oporność powoduje mniejsze ogrzewanie
Powierzchnia drabinki tensometru A - większa powierzchnia pozwala na lepsze
odprowadzanie ciepła
2. Współczynnik przewodzenia ciepła λ ciała pomiarowego - wpływa na "efektywność"
odprowadzania ciepła
3. Cechy szczególne - na przykład konstrukcja tensometru (ułożenie drabinek
pomiarowych)
Modelu przepływu ciepła
Z elektrycznego punktu widzenia, maksymalne dopuszczalne napięcie wzbudzenia mostka
przy określonej maksymalnej mocy elektrycznej P i oporności R jest obliczana
w następujący sposób:
Rozważania termiczne obejmują ustanowienie modelu przepływu ciepła przez tensometru
naklejony na mierzonym przedmiocie o nieskończonej pojemności cieplnej C.
Gradient temperatury T/ d, powstaje w pobliżu czujnika tensometrycznego i wynika
z różnicy temperatury pomiędzy czujnikiem tensometrycznym, a korpusem pomiarowym.
Jest to niezależne od powierzchni drabinki i rezystancji tensometru i może być uznawany za
pomiar w analizie błędów.
Empiryczne badania wykazały, że granica błędu pomiaru jest zasadniczo spełniona przy
gradiencie temperatury T / d = 0,75 ° C / mm w obszarze w pobliżu tensometru.
Rys.. 1: Model przepływu ciepła dla odprowadzania ciepła z tensometru do mierzonego przedmiotu.
Rozproszona energia cieplna Q 'w modelu przepływu ciepła wynika z powierzchni
drabinki tensometrycznej A, specyficznej przewodności cieplnej λ korpusu pomiarowego, i
gradientu temperatury T / d:
W trybie stacjonarnym, tworzony jest bilans pomiędzy energią elektryczną P i energią
cieplną Q rozproszoną przez nośnik do korpusu pomiarowego.
Obliczenia maksymalnego dopuszczalnego napięcia wzbudzenia mostka pomiarowego.
Zakładając, że straty energii w postaci ciepła generowane w modelu są rozpraszane
całkowicie za pośrednictwem korpusu pomiarowego, uzyskuje się następujące równanie dla
maksymalnego dopuszczalnego oraz skutecznego napięcia wzbudzenia mostka
tensometrycznego
:
Powyższe równanie określa maksymalne skuteczne napięcie wzbudzenia mostka dla różnych
tensometrów, w oparciu o znane parametry i wartość określoną doświadczalnie dla gradientu
temperatury:
Rezystancja R: właściwa tensometrom
Powierzchnia drabinki tensometru A: powierzchnia siatki pomiarowej jest
iloczynem jej długości i szerokości. Oczywiste jest, że mniejsze tensometry
nagrzewają się szybciej niż większe, a zatem tolerują jedynie niższe napięcie
wzbudzenia.
Przewodność cieplna λ: Ta właściwość materiału korpusu pomiarowego ma
znaczący wpływ na maksymalne napięcie wzbudzenia, ponieważ różnice między
doskonałym przewodnikiem ciepła, takim jak aluminium, a typowymi tworzywami
sztucznymi są bardzo wysokie. Poniższa tabela przedstawia typowe materiały
elementów pomiarowych.
Materiał korpusu
pomiarowego
Współczynnik
przewodzenia ciepła λ
[W / m * K]
HBM numer
części
Współczynnik
korygujący dla
stali
stal ferrytyczna
Aluminium
stal austenityczna
50
236
15
1
3
5
1.00
2.17
0.55
Szkło kwarcowe /
kompozyt
0.76
6
0.12
Tytan / żeliwo szare
plastik
molibden
22
<0,05
136
7
8
9
0.03
0.03
1.65
Prawa kolumna w tabeli wskazuje na współczynnik korekcyjny, który powinien być
zastosowany dla maksymalnego napięcie wzbudzenia tensometrów dopasowany do
współczynnika przewodności cieplnej stali. Wiadomo jednak, że czujnik tensometryczny jest
zainstalowany na innym materiale. Wynika to ze wzoru:
Specyfika maksymalnego napięcia wzbudzenia mostka tensometrycznego
Częstotliwość nośna.
Efektywna wartość maksymalnego napięcia wzbudzenia mostka jest zmniejszona
o 0,7 (1 / √ 2), gdy stosuje się sinusoidalne napięcie wzbudzenia mostka. Oznacza to, że
wzbudzenie na częstotliwości nośnej jest lepszym wyborem, ponieważ nagrzewa tensometr
w mniejszym stopniu niż napięcie DC o tej samej wartości.
Rozety warstwowe.
Przy układzie rozety warstwowej, gdy poszczególne drabinki pomiarowe są ułożone jedna na
drugiej, górne drabinki pomiarowe mogą oddawać ciepło do korpusu pomiarowego,
w mniejszym stopniu, niż niższe. Maksymalne dopuszczalne wartości napięcia wzbudzenia
mostka należy zmniejszyć o współczynnik 0,7 (1 / √ 2) w układzie rozety typu T zbudowanej
z dwóch umieszczonych na sobie drabinek pomiarowych oraz o współczynnik 0,6 (1 / √ 3)
w układzie rozety złożonej z trzech drabinek pomiarowych .
Spawalne tensometry.
W tensometrach spawalnych, przepływ ciepła przez spawy jest zmniejszony, co skutkuje
niższym maksymalnym napięciem dopuszczalnym skutecznym wzbudzenia mostka.
Zalewane tensometry.
Wzór podany wyżej dotyczy zalewanych tensometrów, ponieważ model ten uwzględnia
jedynie ciepło rozpraszane z tensometru do korpusu pomiarowego. Rozpraszanie ciepła do
powietrza otoczenia (konwekcja) jest pomijane, a więc niezależne od powłoki na
tensometrze.
Laminowane tensometry.
Tensometry, które mogą być laminowane są zwykle używane w środowiskach o słabej
przewodności cieplnej. Z tego względu powinno być wybrane najniższe możliwe napięcie
wzbudzenia mostka.
Ekstremalne warunki.
Jeśli rozgrzewanie tensometru należy wykluczyć całkowicie, należy rozważyć pomiar
optyczny odkształceń. Tutaj, naprężenie jest mierzone przez interrogator optyczny stosując
siatkę Bragga. Jest to najlepsze rozwiązanie, na przykład, przy pomiarach w próżni wysokiej
jakości i w bardzo niskich temperaturach bliskich zera absolutnego.
Zastosowanie w praktyce.
Po pierwsze, należy zauważyć, że niewielkie przekroczenie maksymalnego dopuszczalnego
napięcia wzbudzenia nie prowadzi do uszkodzenia tensometru. Po prostu musi być brany
pod uwagę błąd pomiarowy składający się głównie z przesunięcia zera. Dla pomiarów
dynamicznych nie ma to znaczenia.
Maksymalne skuteczne napięcie wzbudzenia tensometru jest podane na opakowaniu lub
w karcie katalogowej. Istotne jest, aby użyć wartości dopasowanej do materiału korpusu
pomiarowego. Tylko w przypadku gdy wartość określona dla przewodności λ cieplnej
odpowiada materiałowi używanemu do dopasowania odpowiedzi temperaturowej, można tą
wartość przyjąć bezpośrednio. Jeśli tylko wartość dla tensometrów dopasowanych do stali
jest znana, a tensometr jest zainstalowany na innym ciele pomiarowym, użyj tabeli na stronie
3, aby znaleźć współczynnik korekcyjny.
Po drugie, ważne jest, aby pamiętać, że podana wartość jest maksymalną wartością
napięcia wzbudzenia. Wartość wykorzystywana przez wzmacniacz może być znacznie
mniejsza. Ponieważ ciepło, które jest rozpraszane wzrasta wraz z kwadratem napięcia
wzbudzenia, napięcie to poniżej maksymalnego napięcia wzbudzenia bardzo szybko
prowadzi do znacznej minimalizacji błędu pomiaru.
Przy użyciu wzmacniaczy częstotliwości nośnej, współczynnik 0,7 (wartość skuteczna
napięcia) wyznacza margines bezpieczeństwa, a tym samym znaczne zmniejsza błąd
pomiaru, którego można się spodziewać.
Pomiary tensometryczne na materiałach o bardzo niskiej przewodności cieplnej, takich jak
tworzywa sztuczne są krytyczne. Powinno być wybrane najmniejsze napięcie wzbudzenia
i tensometr z najwyższą możliwą opornością.
Jako zasadę można przyjąć, że napięcie 2,5 V wzbudzenia może być zawsze stosowane do
typowych pomiarów na stali lub aluminium z użyciem tensometrów o minimalnej długości
drabinki pomiarowej 1,5 mm i rezystancji 350 omów. Jest to dalekie od maksymalnego
skutecznego napięcia wzbudzenia tak, że nie może dojść do błędów pomiaru wynikających
z rozgrzewania.
Biuro Inżynierskie Maciej Zajączkowski, ul. Krauthofera 16, PL 60-203 Poznań
Tel./Fax. +48 61 66 25 666, e-mail: [email protected] , www:http://www.hbm.com.pl