Технические измерения и приборы

Прибор градуируют для  каждого класса и диаметра арматуры. Показания его не зависят от длины натянутой арматуры.

Тип прибора	Сила натяжения, тс		Диаметр арматуры, мм		Длина арматуры, м		Длина собственной базы прибора, мм	Масса прибора, кг
	мин.	макс.	мин.	макс.	Мин.	макс.
ПИН	0,1	20	3	18	0,8	Без ограничений	600	4,5

 

 

 

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% 

 

 

 

 

 

 

4. Выбор промежуточных преобразователей.

Тензометрические  усилители и аналого-цифровые преобразователи.

Тензометрические  усилители.

На практике, часто возникает потребность  в преобразовании измерительных  сигналов датчиков в стандартный  сигнал самым простым методом, в  непосредственной близости от датчика. Этот линейный тензометрический измерительный усилитель обеспечивает безаварийную, с низкими потерями, передачу измеряемых значений на большие расстояния на системы контроля или приборные панели.  
Модель линейного тензометрического измерительного усилителя 9235 идеально подходит для этой цели. Усилитель устанавливается на соединительном кабеле посредством штырьковых D-sub разъемов. Вследствие его компактной, прочной конструкции и малого веса, линейный тензометрический измерительный усилитель применяется во многих приложениях. Даже подвижное размещение, подверженное ускорениям, например на манипуляторах, не является проблематичным. Эти усилители предназначены, главным образом, для использования вне контрольных кабин, практически, в любом месте и c адаптацией к определенному датчику. Алюминиевый корпус линейного тензометрического измерительного усилителя обладает высокой прочностью и предоставляет очень хорошую защиту даже в тяжелых производственных условиях.  
Пользователям, которые предпочитают интеграцию усилителя в собственные схемные платы или в собственные корпуса, доступна поставка его как компонента открытого типа, с терминалами вместо штырьковых разъемов.

Таким образом  мы выбираем для нашего измерения  усилитель типа:

WGA-670A

с техническими характеристиками:

Нелинейность: ± 0,03%

Выходное напряжение: ± 10

Высокая скорость дискретизации: 2000. / секунду

Возможность подключения  до четырех датчиков параллельно  с сопротивлением моста 350 Ом

Оснащен функцией непрерывного удержания пиковых  значений, что позволяет отображать только пиковые значения.

Разрядность: от -19999 до +19999. 

Количество  измерительных каналов: 1 

применяется преобразователь: Тензодатчик тип преобразователя 

применяется резистивный  мост: 87,5 Ω до 10 кОм (четыре 350-Ω датчики могут быть подключены параллельно.) 

 

Аналого-цифровые преобразователи.

Аналого-цифровое преобразование – это процесс  преобразования входной физической величины в ее числовое представление. Аналого-цифровой преобразователь  – устройство, выполняющее такое  преобразование. Формально, входной  величиной АЦП может быть любая физическая величина – напряжение, ток, сопротивление, емкость, частота следования импульсов, угол поворота вала и т.п. Однако, для определенности, в дальнейшем под АЦП мы будем понимать исключительно преобразователи напряжение-код.

Понятие аналого-цифрового преобразования тесно связано с понятием измерения. Под измерением понимается процесс сравнения измеряемой величины с некоторым эталоном, при аналого-цифровом преобразовании происходит сравнение входной величины с некоторой опорной величиной (как правило, с опорным напряжением). Таким образом, аналого-цифровое преобразование может рассматриваться как измерение значения входного сигнала, и к нему применимы все понятия метрологии, такие, как погрешности измерения.

Основные характеристики АЦП.

АЦП имеет множество характеристик, из которых основными можно назвать частоту преобразования и разрядность. Частота преобразования обычно выражается в отсчетах в секунду (samplespersecond, SPS), разрядность – в битах. Современные АЦП могут иметь разрядность до 24 бит и скорость преобразования до единиц GSPS (конечно, не одновременно). Чем выше скорость и разрядность, тем труднее получить требуемые характеристики, тем дороже и сложнее преобразователь. Скорость преобразования и разрядность связаны друг с другом определенным образом, и мы можем повысить эффективную разрядность преобразования, пожертвовав скоростью.

Типы АЦП.

Существует  множество типов АЦП, однако в  рамках данной статьи мы ограничимся  рассмотрением только следующих  типов:

• АЦП параллельного преобразования (прямого преобразования, flash ADC)
• АЦП последовательного приближения (SAR ADC)
• дельта-сигма АЦП (АЦП с балансировкой заряда)