POMIARY TENSOMETRYCZNE - instrukcja stanowiskowa

POMIARY TENSOMETRYCZNE - instrukcja stanowiskowa

OLITECHNIKA
CZĘSTOCHOWSKA
WYDZIAŁ INśYNIERII MECHANICZNEJ I INFORMATYKI
Instytut Maszyn Cieplnych
Laboratorium: Metrologia i Systemy Pomiarowe
Pomiary
tensometryczne
Imię i nazwisko
...........................................................................................................
Data wykonania
...........................................................
Rok
...........
Grupa
............
1. Wyznaczanie stałej tensometru
Na stalowej utwierdzonej na jednym końcu belce naklejono dwa tensometry pracujące
w układzie jak na rysunku. Jeden z tensometrów naklejony wzdłuŜ belki jest tensometrem
pomiarowym, drugi naklejony poprzecznie jest tensometrem kompensacyjnym.
pomiarowy
kompensacyjny
U
l
Rt+∆R
R1
C
mV
D
P
Rd
Rt Komp
Sposób naklejenia i połączenia tensometrów w układzie pomiarowym
Napięcie na przekątnej mostka w zakresie małych odkształceń wyraŜa się zaleŜnością:
U CD =
U
4
 ∆R
⋅  t
 Rt



(1)
Względna zmiana rezystancji tensometru jest iloczynem jego wydłuŜenia względnego
ε i stałej tensometru k :
∆Rt
= k ⋅ε
Rt
(2)
Zgodnie z prawem Hooke`a napręŜenie rozciągające σ jest równe:
σ =ε ⋅E
(3)
gdzie:
E – moduł Younga (dla stali E = 2,1 ×10 11 N/m ).
NapręŜenie rozciągające w belce o przekroju prostokątnym b x h obliczamy z zaleŜności:
σ=
P⋅l
(4)
Wx
gdzie: P - siła zginająca,
Wx = b ⋅ h 2 6 - wskaźnik wytrzymałości na zginanie belki b x h,
l - ramię działania siły mierzone od środka tensometru czynnego do punktu przyłoŜenia siły.
1
Przyjmując, Ŝe wydłuŜenie względne tensometru jest równe wydłuŜeniu belki otrzymujemy z podanych
zaleŜności (1), (2), (3), (4):
U CD =
U
P ⋅l
⋅k ⋅
4
Wx⋅E
(5)
skąd moŜemy wyznaczyć wartość stałej tensometru:
k=
4 ⋅ U CD ⋅ W x ⋅ E
U ⋅ P⋅l
(6)
Przebieg ćwiczenia:
1. Podłączyć układ pomiarowy
a) opornik dekadowy podłączyć do przewodów zielonego i brazowego,
b) napięcie zasilania podłączyć do przewodów czarnego i niebieskiego,
c) woltomierz podłączyć do przewodów czerwonego i Ŝółtego.
2. Po podłączeniu skompensować rezystorem dekadowym mostek (tak, Ŝeby woltomierz wskazywał
„0”; jeśli nie da się tego zrobić to zapisać wartość tego napięcia w celu późniejszej korekcji pomiarów napięcia UCD).
3. ObciąŜać belkę masą m zawieszaną na uchwytach zamocowanych wzdłuŜ ramienia (siła zginająca P = 9,81× m [N]). Masa m =
kg
4. Odczytywać wartości wskazywane przez miernik i obliczyć ze wzoru (6) wartości k dla kaŜdego
przypadku.
L.p
1
2
3
4
5
6
7
l [mm]
100
150
200
250
300
350
400
UCD [mV]
k
ksrednie
5. Na podstawie wyników z tabeli wyznaczyć stałą tensometru jako średnią arytmetyczną z wszystkich pomiarów. Wymiary belki b = 50 mm, h = 5 mm. Napięcie zasilania U = ....... V.
6. Powtórzyć ćwiczenie (pkt.1..5) dla drugiej belki (wymiary b = 30 mm, h = 8 mm)
L.p
1
2
3
4
5
6
7
l [mm]
100
150
200
250
300
350
400
UCD [mV]
k
ksrednie
2. Wzorcowanie tensometrycznego przetwornika siły
Wykorzystywany w ćwiczeniu przetwornik tensometryczny jest układem złoŜonym z belki jednostronnie utwierdzonej z masą sejsmiczną przymocowana do jej swobodnego końca.
2
Do obu stron belki są przyklejone tensometry oporowe czynne, natomiast do podstawy są przyklejone
dwa tensometry bierne. Tensometry naklejane wzdłuŜ belki zmieniają rezystancje proporcjonalnie do
momentu gnącego wytwarzanego przez obciąŜenie swobodnego końca belki. Tensometry połączone są
elektrycznie w układzie pół mostka tensometrycznego. Przedstawiony układ charakteryzuje się selektywnością pomiaru jedynie napręŜeń wywołanych zginaniem belki - czyli tylko składowej siły prostopadłej do belki. Mostek został połączony przewodem czteroŜyłowym w ekranie z układem wzmacniacza.
F
RT+∆ R
RT+∆R
R1
mV
E
RT-∆R
R2
RT-∆R
Sposób naklejenia i połączenia tensometrów w układzie pół mostka
Sygnałem wyjściowym z przetwornika tensometrycznego jest napięcie, które w zastosowanym
układzie mostka niezrównowaŜonego liniowo zaleŜy od zmiany rezystancji czynnych tensometrów:
U =−
E  ∆RT

2  RT



(7)
Przetwornik tensometryczny zbudowany jest na bazie rezystancyjnych tensometrów metalowych
(4 tensometry RL =15/20/z, R=120,2 ± 0.1Ω , k=2,11).
Wzorcowanie układu w warunkach statycznych
wymaga wykonywania pomiarów napięcia wyjściowego dla stopniowo zmienianych obciąŜeń przetwornika.
Takie obciąŜenia w prosty sposób moŜna uzyskać
poprzez podnoszenie jednej z krawędzi podstawy
przetwornika na ustaloną wysokość h. Korzystając z
zaleŜności geometrycznych moŜna obliczyć wartość
siły zginającej belkę przetwornika:
F = G ⋅ sin α = G ⋅
= m⋅ g ⋅
h
l 2 + h2
l 2 + h2
α
G
α
=
h
m
F
h
l
(8)
Schemat statycznego wzorcowania
przetwornika tensometrycznego
l = …… mm
m = 0,151 kg
W skład układu pomiarowego siły wchodzą:
przetwornik tensometryczny,
wzmacniacz napięcia stałego AR402, przeznaczony do pomiaru wielkości mechanicznych m.in. za
pomocą tensometrycznych czujników mostkowych. Panel pozwala na zasilanie mostka tensometrycznego i pomiar napięcia niezrównowaŜenia mostka,
panel odczytowy AR 924 umoŜliwiający odczyt wartości mierzonych w mV.
Przebieg ćwiczenia
1. Ustawić napięcie zasilania mostka 5 V (przycisk 5V/10V zwolniony)
2. Wybrać wzmocnienie wzmacniacza kv = 5V/V (przycisk 5·WZM/WZM zwolniony)
3
3. Przeprowadzić kalibrację układu:
a) regulacja „zera” wzmacniacza
• przełącznik POM/KAL w pozycji KAL (wciśnięty)
• przełącznik „0”W/WZM w pozycji „0”W (zwolniony)
• regulować zero wzmacniacza potencjometrem „0”WZM
b) regulacja wzmocnienia
• przełącznik „0”W/WZM w pozycji WZM (wciśnięty)
• ustawić potencjometrem WZM napięcie wyjściowe 1,000 [V]
c) regulacja zera czujnika
• przełącznik POM/KAL w pozycji POM (zwolniony)
• ustawić zerową wartość sygnału wejściowego
• potencjometrem „0”M ustawić zerową wartość napięcia wyjściowego.
4. Dla zadanych wartości uniesienia krawędzi podstawy h zapisać wartości napięcia wyjściowego
wzmacniacza oraz z zaleŜności (8) obliczyć wartość siły F.
lp
h [mm]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
0
F [N]
U [mV]
5. Narysować charakterystykę układu F(U) wraz z wyznaczeniem współczynników jej liniowej
A = ……..…. N/mV,
Fo = ……….. N
aproksymacji: F=A*U+F0 :
0,5
0,4
F [N]
0,3
0,2
0,1
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
U [mV]
4