Проектирование измерительной системы измерения силы

Кафедра автоматизации технологических  процессов в производстве  
 
  
  
  
  
 
КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ 
 
По дисциплине «Технические измерения и приборы» 
 
Проектирование  измерительной системы измерения силы.  
 
 
                                                                    
  
  
 
 
Выполнила: ст. группы Т-4139 
 
Рогова М.И. 
 
Руководитель: Дмитриева О.В. 
  

 
 
Курган 2012 г. 

 
Содержание: 
 
Введение. Краткий обзор методов измерения…….………………………3 
 
1. Описание объекта измерения…………………………………………….6 
 
2. Разработка структурной схемы ИИС…...……………………………...10 
 
3. Выбор измерительных преобразователей.....…………………..............13 
 
4. Выбор промежуточных преобразователей …………………................19 
 
5. Расчет удлинения арматурной стали……….………………………......30 

•  
  Вывод..…………………………………………………………….....33
•  
  Используемая литература………………………….………….........34 
   

 
 
 
Введение. Краткий  обзор методов измерения 
 
Бетон, как и другие каменные материалы, слабо сопротивляется изгибу и растяжению, однако в сочетании с арматурой его механические свойства значительно улучшаются. Улучшению механических свойств бетона способствует хорошее сцепление его с арматурой, обеспечивающее рациональное распределение нагрузки между этими материалами. Важным для совместной работы является и то, что температурное расширение стали и бетона сводит к минимуму внутреннее напряжения в зоне контакта при изменении температуры, и кроме того, бетон надежно защищает арматуру от коррозии. Поэтому конструкцию армируют. 
 
В данной курсовой работе «Проектирование  измерительной системы измерения силы» выбрана сила натяжения арматуры. Методы измерения силы натяжения арматуры: 

•  
  гравитационный метод измерения;

 
Гравитационный метод основан  на установлении зависимости между  силой натяжения арматуры и массой грузов, осуществляющих ее натяжение. Гравитационный метод применяется в тех случаях, когда натяжение осуществляется грузами непосредственно через систему рычагов. Для измерения силы натяжения арматуры измеряют массу грузов, по которой определяют силу натяжения арматуры с учетом системы передачи силы от грузов к натягиваемой арматуре, потерь от трения и других потерь, если таковые имеются. Учет потерь в системе передачи силы натяжения от грузов арматуре осуществляется динамометром при градуировке системы. Масса грузов должна измеряться с погрешностью до 2,5%. 

•  
  метод измерения по показаниям динамометра;

 
 Метод измерения силы натяжения  арматуры по показаниям динамометра  основан на связи между силой  натяжения и деформациями динамометра. Динамометр включают в силовую цепь арматуры между концевыми упорами  или за их пределами таким образом, чтобы сила натяжения арматуры воспринималась динамометром. 

•  
  метод измерения по показаниям манометра;

 
Метод измерения силы натяжения  по показаниям манометра основан  на зависимости между давлением  в цилиндре домкрата, измеряемом манометром, и силой натяжения арматуры. Измерение  силы натяжения арматуры по показаниям манометра применяют при натяжении  ее гидравлическими домкратами. Определение  силы натяжения арматуры по показаниям манометра осуществляют непосредственно  в процессе натяжения и завершают  при передаче усилия с домкрата на упоры формы или стенда. 

•  
  метод измерения по величине удлинения арматуры;

 
Метод измерения силы натяжения  по величине удлинения напрягаемой  арматуры основан на зависимости  удлинения арматуры от величины напряжений, которая с учетом площади поперечного  сечения арматуры определяет силу натяжения. Метод измерения силы натяжения  арматуры по величине ее удлинения, вследствие относительно невысокой его точности, применяется не самостоятельно, а  в сочетании с другими методами. Относительно невысокая точность этого  метода обуславливается изменчивостью  упруго пластических свойств арматурной стали, а также деформативностью форм и упоров. 

•  
  измерение методом поперечной оттяжки арматуры (будет использован в данной курсовой работе);
•  
  частотный метод измерения;

 
Частотный метод основан на зависимости  между напряжением в арматуре и частотой ее собственных поперечных колебаний, которые устанавливаются  в натянутой арматуре через определенное время после выведения ее из состояния  равновесия ударом или каким-либо другим импульсом. Для измерения силы натяжения  арматуры частотным методом применяют  прибор ИПН-7 (без собственной базы). Прибором ИПН-7 измеряют число колебаний  натянутой арматуры за определенное время, по которым определяют силу натяжения  с учетом градуировочной характеристики для данного класса, диаметра и длины арматуры. Контролируемая арматура вдоль всей ее длины при колебании не должна соприкасаться со смежными арматурными элементами, закладными деталями и формой. 
 
 

1.  
   Описание  объекта измерения.

 
Арматурой в строительстве называются стальные стержни различного сечения и формы, стальные канаты и пряди, воспринимающие растягивающие и скалывающие напряжения, возникающие в железобетонных элементах от внешних нагрузок и собственного веса конструкций. Арматура может быть постоянного сечения (гладкие стержни) и периодического профиля. 
 
Виды арматуры 
 
Арматура, применяющаяся в железобетонных конструкциях и сооружениях, делится на рабочую, распределительную, хомуты и монтажную. 
 
Рабочая арматура воспринимает возникающие в железобетоне растягивающие и скалывающие усилия от внешних нагрузок и собственного веса конструкций. 
 
Распределительная арматура удерживает рабочие стержни арматуры в определенном положении и распределяет нагрузку между ними. В тех случаях, когда рабочие стержни располагаются не только в растянутых, но и в сжатых частях конструкций, например, в балках, ригелях, арматура называется двойной. 
 
Хомуты связывают арматуру в единый каркас и предохраняют бетон от появления косых трещин около опор. 
 
Монтажная арматура никаких усилий не воспринимает, служит для сборки арматурного каркаса и обеспечивает точное положение рабочей арматуры и хомутов при бетонировании. 
 
Для лучшего предохранения арматуры от скольжения в бетоне арматурные стержни, подверженные растяжению, загибаются в виде крюков на концах. Применение арматуры периодического профиля благодаря повышенному сцеплению с бетоном позволяет в большинстве случаев отказаться от крюков, что приводит к экономии стали. 
 
Арматура бывает поперечной и продольной. 
 
Поперечная - это арматура, препятствующая образованию наклонных трещин от возникающих косых скалывающих напряжений вблизи опор, а также арматура, связывающая бетон сжатой зоны с арматурой в растянутой зоне. 
 
Продольная - арматура воспринимает растягивающие напряжения и препятствует образованию вертикальных трещин в растянутой зоне железобетонных конструкций. 
 
В конструкциях, которые воспринимают сжимающие усилия, продольная арматура берет на себя часть нагрузки, работая совместно с бетоном. 
 
Для армирования предварительно напряженных конструкций кроме штучной высокопрочной арматуры применяют пучки и пряди, изготавливаемые из высокопрочной проволоки диаметром 3 мм, и канаты из нескольких прядей. 
В зависимости от механических характеристик стержневая арматура по ГОСТ 5781-82 подразделяется на классы: А-I, A-II, A-III, A-IV, A-V, A-VI. 
Стержни арматуры диаметром менее 10 мм поставляются в мотках, арматуру диаметром 10 мм и более — в прутках длиной от 6 до 12 м или мерной длины. Допускается поставка стержней арматуры класса А-I диаметром до 12 мм в мотках. Арматура A-IV поставляется только в прутках. 
 
В горячекатаной арматурной стали (по ГОСТ 5781) требуемые механические свойства обеспечиваются химическим составом стали. С этой целью для производства арматурной стали используются не только углеродистые стали, но и стали, легированные марганцем и кремнием, а также более прочные стали, легированные хромом и титаном. 
 
Помимо стержневой арматуры, в строительстве для армирования предварительно напряженных железобетонных конструкций широко используется арматурная проволока, которая производится как из низкоуглеродистой стали (ГОСТ 380), так и из высокоуглеродистой (ГОСТ 14959). 
 
Применение арматуры 
 
Арматура применяется для изготовления всех видов железобетонных конструкций, что необходимо для усиления прочностных характеристик бетона. В основном, используется стальная гибкая арматура — стержни, сварные сетки и каркасы, но иногда необходима и жесткая арматура — прокатные двутавры, швеллеры и уголки. По физико-механическим свойствам и другим показателям качества строительная арматура подразделяется на классы прочности — горячекатаная, термомеханически упрочненная или термически упрочненная. От характеристик применяемой арматуры во многом зависит эффективность использования железобетонных конструкций в строительстве. 

1. Числовые характеристики при проведении испытания и их влияние на результаты измерений:

 
Диапазон измерения силы тяги: от 0 до 15 тс 
 
Относительная погрешность: ? не более 4% 
 
Температура окружающей среды: Т=-20-30 ⁰С 
 
Влажность воздуха: 50-90% 
 
Атмосферное давление: 1 атм. (10⁶ Па) 
 
Место установки электромеханических приборов должно находиться на расстоянии не менее 5 м от источников электрических помех. 
 
Отношение прогиба арматуры к ее длине не должно превышать: 
 
1:150-для проволочной, стержневой и канатной арматуры диаметром до 12 мм; 
 
1:300-для стержневой и канатной арматуры диаметром более 12 мм. 
 
При измерении силы натяжения арматуры прибор с собственной базой устанавливают на арматуре в любом месте по ее длине. При этом стыки арматуры не должны находиться в пределах базы прибора. 
 
При измерении силы натяжения арматуры приборами без собственной базы (с оттяжкой на базе формы) приборы устанавливают в середине пролета между упорами (чертеж). Смещение места установки приборов от середины пролета не должно превышать 2% длины арматуры. 
 
Такие факты как: температура воздуха, давление атмосферное будем считать их константами. В противном случае их изменение в указанных диапазонах их влияние на изменение результата стремиться к нулю. Поэтому эти акты не будем учитывать при расчете погрешности. 

2. Разработка структурной схемы ИИС.

 
Сущность изобретения поясняется чертежами. На Рис.1 изображено устройство для измерения силы натяжения  арматуры методом оттяжки, на Рис.2 изображена схема включения тензометрических датчиков. 
 
Схема измерительной информационной системы:  
 
 
 

2. Измерение силы натяжения арматуры методом поперечной оттяжки.

 
Метод основан на установлении зависимости  между силой, оттягивающей арматуру на заданную величину в поперечном направлении, и силой натяжения  арматуры. Контроль натяжения по измерению  сопротивления проволочных тензодатчиков. Электротензометрическое измерение натяжения арматуры основано на применении проволочных датчиков омического сопротивления (из константановой проволоки), наклеенных на упругий элемент. При воздействии усилия растяжения происходит изменение активного сопротивления датчиков, и равновесие в электрической цепи нарушается. 
 
Поперечная оттяжка арматуры может производиться на полной длине арматуры, натянутой между упорами формы (оттяжка на базе формы), и на базе упоров самого прибора (приборы с собственной базой). 
 
При оттяжке арматуры на базе формы прибор упирается в форму, которая является звеном цепи измерения. При оттяжке на базе прибора, прибор контактируется с арматурой в трех точках, но не находится в контакте с формой. 
 
При измерении силы натяжения арматуры методом поперечной оттяжки в арматуре не должно быть остаточных деформаций. 
 
При измерении силы натяжения арматуры методом оттяжки применяют механические приборы типа ПРДУ или электромеханические приборы типа ПИН. 
 
В данной работе будем применять прибор типа ПИН. Прибор состоит из рамы с упорами, эксцентрика с рычажным устройством, регулировочной гайки, упругого элемента с тензорезисторами, крючка и элементов электрической схемы, размещенных в отдельном отсеке, которые содержат усилитель и счетное устройство (рис. 1).  
 
Прибор измеряет силу, необходимую для поперечного смещения натянутой арматуры на заданную величину.  
 
Заданное поперечное смещение арматуры относительно упоров, прикрепленных к раме прибора, создают путем перемещения ручки эксцентрика в левое положение. При этом рычаг перемещает винт регулировочной гайки на величину, зависящую от эксцентриситета эксцентрика. Необходимая для осуществления перемещения сила зависит от силы натяжения арматуры и измеряется по деформациям упругого элемента.  
 
Прибор градуируют для каждого класса и диаметра арматуры. Показания его не зависят от длины натянутой арматуры. 

 
 
 
Рис.1 Схема прибора  ПИН 
 
 
 
1 - упоры; 2 - рама; 3 - эксцентрик; 4 - регулировочная гайка; 5 - упругий элемент с проволочными тензорезисторами (размещается под кожухом); 6 - крючок; 7 - коробка с элементами электрической схемы.  
 
Рис. 2 Схема включения тензометрических датчиков 
 
 
 
8 - тензометрический усилитель; 9, 11 - активные тензорезисторы; 10, 12 – пассивные тензорезисторы; 13 – компьютер; 14 – аналого – цифровой преобразователь. 
 
 

3.  
   Измерительные преобразователи.

 
Датчик, который используется для  силы натяжения арматуры – тензорезистор. 
 
 Рис. 3 Общий вид тензорезистора. 
 
В основе принципа действия тензорезисторов лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации. Тензорезистор плотно крепится к объекту измерения таким образом, что чувствительный элемент (металлическая резистивная фольга) мог удлиняться или сокращаться в соответствии с деформацией, вызванной измерительным объектом. При механическом удлинении или сжатии, электрическое сопротивление многих металлов изменяется. Тензорезистор использует данный принцип для измерения деформации посредством изменения сопротивления. Обычно, чувствительный элемент тензорезистора выполнен из фольги медно-никелевого сплава. Коэффициент изменения сопротивления сплава фольги пропорционален деформации с определенной постоянной. Выразим данный принцип следующим образом: ΔR/R = K* ε 
 
где, R: исходное сопротивление тензорезистора, Ω (Ом) , ΔR: изменение сопротивления, вызванное удлинением или сокращением, Ω (Ом) K: постоянная пропорциональности (коэффициент тензочувствительности) ε: деформация  
 
Коэффициент тензочувствительности, K, отличается в зависимости от металлических материалов. Для медно-никелевого сплава коэффициент тензочувствительности составляет примерно 2. Следовательно, тензорезистор, использующий данный сплав в качестве чувствительного элемента, позволяет преобразовывать механическую деформацию в соответствующее изменение электрического сопротивления. Однако т.к. деформация – это невидимое чрезвычайно малое явление, изменение сопротивления, вызванное деформацией чрезвычайно мало.  
 
На самом деле, очень сложно выполнить точное измерение такого малого изменения сопротивления, так как обычный омметр для этих целей не подойдет. Соответственно, мельчайшие изменения сопротивления измеряются с помощью специального тензоусилителя, в котором используется электрическая цепь, которая называется мост Уитстона. 
 
Рис. 4 Мост Уинстона. 
 
Конструктивно современные тензорезисторы представляют собой чувствительный элемент в виде петлеобразной решетки, который крепится с подложкой с помощью клея. Чувствительные элементы обычно изготавливаются из тонкой проволоки, фольги, а также могут быть образованы напылением в вакууме полупроводниковой пленки. В качестве подложки обычно используют ткань, бумагу, пленку и др. Для присоединения чувствительного элемента в электрическую цепь в тензорезисторе имеются выводные концы или контактные площадки. На исследуемый объект тензорезисторы крепятся с помощью связующего (клея) со стороны подложки. 
 
Расчёт тензорезисторов. 
 
До последнего времени методы расчёта тензорезисторов не были известны, и разработка преобразователей производилась чисто эмпирическим путём. Однако в связи с развитием квалиметрии измерительных преобразователей оказалось, что основные соотношения режима работы тензорезисторов достаточно хорошо описывается математически, и при проектировании тензорезисторов и сравнении новых типов с известными полезно проводить их расчёт. 
 
Расчёт тензорезисторов сводится к определению при выбранных их размерах допускаемой тензорезистором мощности рассеяния (а следовательно, и допустимого значения тока при данном сопротивлении) или наоборот — к определению размеров тензорезистора, необходимых для обеспечения заданной мощности. 
 
Мощность Р, рассеиваемая в тензорезисторе, ограничена его нагревом, вызывающим появления повышенных значений погрешности.  
 
При тепловом контакте тензорезистора с деталью через слой клея и подложку отводиться в 200—300 раз больший тепловой поток, чем при теплоотдаче тензорезистора в окружающий воздух. Это объясняется тем, что коэффициент теплоотдачи в воздух равен ξ= 10 Вт/(м² ∙К). Поэтому с высокой точностью можно считать, что практически весь тепловой поток от тензорезистора отводится через слой клея в деталь, на которую он наклеен. Отсюда площадью S₀поверхности теплоотдачи для плёночных и фольговых тензорезисторов следует считать поверхность резистора, обращённую к детали, а для проволочных — с достаточно точным приближением половину цилиндрической поверхности их проволоки. 
 
Необходимые для расчёта значения удельной тепловой нагрузки Р_уд=Р/S₀ большинства используемых сейчас проволочных, Фольговых и полупроводниковых тензорезисторов (с мощностью от 25 до 630 мВт и полной площадью, занимаемой решёткой, от 0,9 до 250 мм²) колеблются в очень узких пределах Р_уд =26 ÷ 28 кВт/м² (или мВт/мм²). Лишь в редких случаях, используя очень тонкую подложку, удаётся достичь Р_уд=38 ÷ 39 мВт/мм². 
 
Допустимое значение тока I_доп через тензорезистор определяется из соотношения Р= I²R= Р_удS₀. Так, например, для проволочных тензорезисторов с базой длиной, из n проводов в решётке с диаметром d, изготовленных из материала с удельным сопротивлением ρ. 
 
Для константановой проволоки ρ = 0,46∙10^-6 Ом∙м, тогда при Р_УД=27 кВт/м² допустимое значение тока 
 
где I_ДОП  в амперах и d в метрах. 
 
Погрешности измерения тензорезисторами возникают за счёт следующих основных факторов: 
 
- влияния температуры преобразователя на его сопротивление и линейное расширение; 
 
- ползучести характеристики, т.е. её изменения, вызываемого остаточными деформациями в преобразователи при длительном действии значительных по величине нагрузок, близких к допустимым; 
 
- невоспроизводимости характеристики преобразования при нагрузке и разгрузке; 
 
- изменения крутизны характеристики преобразования от времени из-за старения материалов, особенно из-за изменения свойств клеящих компонентов; 
 
- снижения чувствительности при увеличении частоты деформаций, когда длина распространяющейся в детали звуковой волны деформации становятся соизмеримой с базой преобразователя. 
 
Наиболее существенное влияние на величину погрешности имеет первый фактор. Изменение сопротивления преобразователя от изменения температуры соизмеримо с изменением сопротивления от действия деформации. Температура тензорезистора зависит от температуры окружающей среды и величины тока, протекающего через резистор. Изменения температуры должно учитываться приобработки результатов путём введения коррекций или, что более желательно, автоматической компенсацией температурной погрешности. Для снижения температурной погрешности используют несколько путей: 
 
- выбирают материал для тензорезистора с малым температурным коэффициентом линейного расширения, близким к коэффициенту расширения детали; 
 
- применяют компенсационные преобразователи, располагаемые в непосредственной близости от однотипного рабочего, но не подвергаемы действию деформации; 
 
- используют самокомпенсирующие тензорезисторы, состоящие из двух частей. Одна часть обладает положительным температурным коэффициентом сопротивления, вторая — отрицательным. Правильным подбором величин и температурных коэффициентов сопротивлений частей датчика добиваются высокой степени компенсации температурной погрешности. Особенно широкое применение такой способ нашёл при изготовлении полупроводниковых тензорезисторов. 
 
Для определения силы натяжения арматуры будем использовать тензодатчик LTP-S-200KNS c номинальным диапазоном 20,39 тс. 
 
 
 
Характеристики: 
Нелинейность: ±1 ... 2%НВС  
Гистерезис: ±1 ... 2%НВС  
Ном. выходной сигнал: 0.5 to 1mВ/В (1000 ... 2000 x10–6 дефор.) 
 
Условия окружающей среды: 
Температурный диапазон: –20 ... +80°C 
Компенсированный температурный диапазон: –10 ... +70°C 
Температурный дрейф ноля: ±0.05%НВС/°C 
Температурный дрейф на выходе: ±0.05%/ °C 
 
Электрические характеристики: 
Безопасное питание: <15В ~ или = 
Рекомендованное питание: 1 ... 10В ~ или = 
Входное сопротивление: 700 Ω ±3% 
Выходное сопротивление: 700 Ω ±3% 
Кабель: 4-х проводный, хлорпреновый, экранированный, длина кабеля по спецификациям заказчика. 
 
Механические характеристики: 
Безопасная перегрузка: 150%