книги / Тензодатчики для экспериментальных исследований
..pdfв работе [38], из константановой и никелевой проволо ки — в работе [57].
Тензодатчики, изготовленные из двух отрезков кон стантановой проволоки, каждая из которых отожжена при определен ной температуре, описаны в работе [24]. На рис. 65 представлены кри вые зависимости температурного приращения сопротивления тензо датчиков из двух отрезков констан тановой проволоки, один из которых
Рис. 64. |
Схема |
ре |
Рис. 65. Температурные при |
||||
шетки |
комбиниро |
ращения сопротивления: |
|||||
ванного |
тензодат |
1, 2—тензодатчиков 1-BO, |
на |
||||
чика, |
изготовлен |
||||||
клеенных |
на |
дюраль н |
изго |
||||
ного из |
двух |
про |
товленных |
из |
константановой |
||
волок: |
|
проволоки, |
соответственно |
ото |
|||
1—узел |
сварки |
про |
жженных |
при |
340 и 330° С; 3— |
||
комбинированных тензодатчиков |
|||||||
волок; |
2—выводные |
из |
этих |
проволок |
|
||
проводники |
|
|
|
|
|
отожжен при температуре 340° С, а другой — при 330° С, а также температурное приращение сопротивления для комбинированного тензодатчика типа 1-ВО, изготовлен иого из этих двух отрезков проволоки.
Î. ТЕНЗОДАТЧИКИ С КОМПЕНСАЦИОННОЙ ПЕТЛЕЙ
Тензодатчики с компенсационной петлей изготовляют из двух материалов (проволоки, фольги или др.), имею щих различные по величине, но одинаковые по знаку температурные коэффициенты сопротивления, причем один из отрезков является активным плечом моста ( Я д ) (26]. Компенсационная петля RK включается как дополни-
необходимо, чтобы температурный коэффициент сопро
тивления материала для петли был |
возможно |
больше. |
|
Петля RK, расположенная |рядом с |
активной |
решеткой |
|
тензодатчика RM, подвергается такой же деформации, что |
|||
и RM, а так как они включены в соседние плечи, то эф |
|||
фект от деформации отрезка R K уменьшает |
эффект от |
||
деформации отрезка R д. Поэтому |
необходимо, |
чтобы |
Рис. |
67. |
Температурное |
Рис. 68. |
Температурное приращение |
||
приращение |
сопротивле |
сопротивления тензодатчиков из пла |
||||
ния наклеенных на жа |
тино-вольфрамовой проволоки с пет |
|||||
ростойкую |
сталь |
тензо |
лей |
из платиновой проволоки |
||
датчиков из константано- |
|
|
||||
вой проволоки, отожжен |
|
|
||||
ной |
при |
390° С, с |
петлей |
|
|
|
из |
проволоки |
сплава |
|
|
||
|
|
Н50КЮ |
|
|
|
тензочувствительность и величина сопротивления мате риала для отрезка была возможно меньше.
На рис. 67 приведена зависимость температурного приращения сопротивления наклеенных на жаростойкую сталь тензодатчиков, изготовленных из Константиновой отожженной при температуре 390° С, проволоки с компен сационной петлей из проволоки сплава Н50КЮ.
Разработаны тензодатчики с компенсационной петлей для измерения статических деформаций при температу рах 550—650° С [52]. Активную решетку тензодатчика изготовляют из проволоки платино-вольфрамового спла ва, а компенсационную петлю из платиновой проволоки. Температурный коэффициент сопротивления проволоки из платино-вольфрамового сплава очень высок — 2,4-10~4 ед. AR/R/°C. Применение компенсационной пет ли позволяет существенно снизить температурное прира
щение сопротивления тензодатчика. Типичная кривая температурного приращения сопротивления такого тензо датчика с компенсационной петлей приведена на рис. 68.
4. СПОСОБ ВНЕСЕНИЯ ПОПРАВКИ НА ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПРИРАЩЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ
При измерении деформаций в условиях переменных температур можно пользоваться способом внесения по правки, который заключается в том, что на температур ное приращение сопротивления вводится соответствую щая поправка, определяемая по предварительно изучен ной кривой температурного приращения сопротивления данной партии тензодатчиков. Для этого в процессе из мерения деформаций в моменты снятия отсчетов ср и фо измеряется также и температура тензодатчика, включен ного в активное плечо измерительного моста. Тензодат чик, включенный в компенсационное плечо, находится при температуре 20° С и не деформируется.
Монтаж тензодатчиков при измерении деформаций должен выполняться таким образом, чтобы исключить влияние температурного приращения сопротивления вы водных и монтажных проводов. Для этого используют так называемый способ трехпроводного монтажа, заклю чающийся в том, что от каждого тензодатчика ведут по три одинаковых выводных и монтажных провода (рис. 69), которые находятся в одинаковых температур ных условиях.
Для измерения температуры можно пользоваться тер мопарами или термометрами сопротивления, располо женными около тензодатчика. В случае изменения тем ператур по детали, для измерения температуры и дефор маций следует пользоваться датчиком, включающим в себя тензочувствительный и термочувствительный эле менты, расположенные на одной основе, так называемым тензотермодатчиком (рис. 70). Термочувствительный элемент, выполненный из термочувствительного материа ла, обрамляет тензочувствительный элемент с трех сто рон одним или несколькими витками. Такое расположе ние термочувствительного элемента позволяет измерить среднюю температуру поля вокруг тензочувствительного элемента, которая будет наиболее близкой к средней температуре тензочувствительного элемента тензодатчика,
Рис. 69. Схема подключения тензодатчиков при трехпровод ном способе монтажа:
У?—магазин сопротивлений; А, О,
К—клеммы прибора ЭИД
! г 1
Рис. 70. Схемы тензотермодатчиков:
1 — термочувствительный |
элемент; |
2 — тензочуиствптольный |
элемент |
S.ВНЕСЕНИЕ ПОПРАВКИ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ ДЕФОРМАЦИЙ
ВУСЛОВИЯХ РЕЗКО НЕСТАЦИОНАРНЫХ ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ
Температурная характеристика (температурное при ращение сопротивления) тензодатчика, определяемая формулой (17), выведена при условии, что при нагрева нии температура исследуемой детали и чувствительной решетки тензодатчика изменяется одинаково.
Вряде случаев температуры чувствительной решетки
идетали под тензодатчиком могут отличаться. Напри
мер, разница в температурах решетки тензодатчика и по верхности детали может возникнуть при быстрых изме нениях температуры окружающей среды или в случае прохождения через тензодатчик большого тока.
При неравенстве температур чувствительной решетки и детали температурное приращение сопротивления тензодатчика запишется в виде
= т - |
to) + К (*Г - 'о) - «я (<* - |
*о)1 s„ , |
(53) |
где to — начальная |
температура детали |
и чувствитель |
|
ной решетки тензодатчика; |
|
|
|
tx— температура детали; |
|
|
/2 — температура чувствительной решетки тензодат чика.
Первый член уравнения представляет собой измене ние сопротивления при изменении температуры от t0 до to свободной ненаклеенной решетки. Член в квадратных скобках представляет -собой изменение сопротивления за счет деформации чувствительной решетки в связи с не одинаковым по величине тепловым расширением ее мате риала и материала детали.
Уравнение (53) |
можно представить в виде |
( ~ ) = р (<1 — t0) + |
к - a,,)Sn(*,— t0) + (|3-a„S„) ( f , - f ,). (530 |
Сравнивая это уравнение с уравнением (17), при вы воде которого считалось t= i{ = t2i видно, что эти два вы ражения отличаются членом
( ~ ) |
= <Р- «Яs„) (*,-*.)• |
(54) |
Знак и величина (ДR/R)Heem зависят как от свойств чувствительной решетки тензодатчика (р, an, 5„), так
126
и от температур h и tu которые зависят от условий теп лопередачи.
При использовании различных материалов в качест ве чувствительной решетки тензодатчика встречаются случаи:
Р > о.ц $ п >т* |
&ц S fj) > 0 \ |
Р = о-п |
(Рап $ п ) — 0; |
Р < а п s„ , |
(Р а п S n ) < 0. |
Рассмотрим только последний случай, т. е. p < a nSn, наиболее часто встречающийся в большинстве типов тен зодатчиков.
При исследовании напряженного состояния ряда кон струкций измерение деформации производится в услови ях, при которых скорость изменения температуры может достигать 5—10° С/сек и более. При таких тепловых по лях будет наблюдаться разница в температурах чувстви тельной решетки и детали под тензодатчиком. Примене ние метода внесения поправки осложняется в этом случае тем, что температурная характеристика сопротив ления тензодатчика, по которой будет вноситься поправ ка, предварительно определенная при медленном ступен чатом нагреве по методике, описанной в гл. I, будет отличаться от действительного температурного прираще ния на величину (ДR IR )Hecm- Измерение температуры ре шетки Î2 и детали под тензодатчиком t\ для внесения поправки на температурное приращение сопротивления по формуле (53') практически трудно осуществить.
Для того чтобы при измерении деформаций в усло виях резко нестационарных тепловых полей найти воз можность использования способа внесения поправки на температурное приращение сопротивления, были прове дены исследования по определению степени отличия кривых температурного приращения сопротивления на клеенных на балку 1 тензодатчиков для случаев медлен ного ступенчатого нагрева и быстрых нагревов с раз личными скоростями.
Влияние возможного коробления балки из-за не равномерного прогрева ее по длине на температурные приращения сопротивления тензодатчиков исключалось
1 Балки изготовлялись толщиной 1 мм из нержавеющей и жаро
прочной стали-.
Рис. 71. Температурные приращения сопротивления иаклеенкых на нержавеющую сталь тензотермодатчиков ВТ-К с тензоэлементом из константановой проволоки ( отжиг при 393° С) при различных скоростях нагрева и соответствующие им кривые изменения тем
пературы |
во |
времени т, измеренной с помощью термоэлемента |
из проволоки |
сплава Н50К10. Штриховой линией показана зави- |
|
/ |
ДR |
\ |
CHMOCTb^“^ “ J = / ( 0 » полученная при медленном ступенчатом нагреве
тем, что тензодатчики, наклеенные на пластину с двух
сторон один под |
другим, |
соединялись последовательно |
и включались в |
активное |
плечо измерительного моста. |
В компенсационное плечо моста включались тензодатчи ки из той же партии, наклеенные на аналогичную балку, расположенную в условиях комнатной температуры.
Медленный ступенчатый нагрев пластины с тензодат чиками происходил в термостате. Быстрый непрерывный напрев осуществлялся двумя способами: потоком горя чего воздуха и электрическим током, пропускаемым че рез пластину.
При исследованиях использовались тензотермодатчики с термочувствительным элементом из проволоки спла ва Н50К10.
Относительное изменение сопротивления тензо- и тер моэлементов датчиков измерялось с помощью аппарату ры 8-АНЧ-7 [23] и осциллографа К-4-21.
На рис. 71 приведены кривые температурного прира щения сопротивления тензоэлементов тензотермодатчиков типа ВТ-К, полученные при различных скоростях нагрева горячим воздухом и электрическим током. Штри ховой линией изображена кривая температурного при ращения сопротивления, полученная при медленном сту пенчатом нагреве.
Как видно из кривых, .приведенных на рис. 71, при быстром нагреве потоком горячего воздуха кривые тем пературного приращения сопротивления лежат ниже, а при нагреве электрическим током — выше кривой, по лученной при медленном ступенчатом нагреве. Это объ ясняется тем, что при нагреве потоком горячего воздуха в местах расположения тензодатчиков условия передачи тепла к пластине несколько хуже, чем к тензочувствительной проволоке, которая отделена от источ ника нагрева более тонким слоем связующего, чем уча сток пластины под тензодатчиком. Поэтому температура (2 проволоки тензодатчика при нагреве воздухом будет на некотором промежутке времени большей, чем темпе ратура 11 детали под тензодатчиком:
Кривая температурного приращения сопротивления будет лежать ниже кривой, полученной при медленном
ступенчатом нагреве, при котором можно считать, что пластина и проволока имеют одинаковую темпера туру.
При нагреве электрическим током сначала прогрева ется пластина, а затем решетка тензодатчика, и темпера тура t2 проволоки тензодатчика будет на некотором про межутке времени меньше, чем температура t\ пластины под тензодатчиком:
№ - ) |
> 0. |
\ " / н е с т |
|
Значение (AR/R)Hecm>0 будет не только при нагреве |
|
пластины электрическим током, но |
и в любом другом |
случае, если нагрев тензодатчика осуществляется путем теплопередачи через металл детали (например, исследуе мая деталь нагревается потоком воздуха с внешней сто роны, а тензодатчики, расположенные на внутренней поверхности детали, не подвергаются непосредственному
обдуву). |
что чем выше скорость на |
Очевидно (см. рис. 71), |
|
грева, тем больше кривая |
температурного приращения |
сопротивления отличается |
от кривой, полученной при |
ступенчатом нагреве. Эта разница при нагреве горячим воздухом в несколько раз больше, чем при нагреве элек трическим током при 'близких скоростях нагрева. При нагреве пластины электрическим током максимальная
разница ординат кривых |
AR/R=f(t) составляет при ско |
|||
рости нагрева |
24° С |
в 1 сек величину, |
равную |
|
45-10-5 ед. AR/R, а при |
нагреве горячим |
воздухом при |
||
скоростях нагрева |
порядка 10° С в 1 сек |
максимальная |
||
разница составляет 105-10~5 ед. AR/R. Поэтому |
при из |
мерении деформаций в условиях нестационарных тепло вых полей необходимо стремиться к тому, чтобы тензо датчики не подвергались непосредственно действию теплового потока.
Для этого следует наклеивать тензодатчики на той стороне, которая не подвергается прямому воздействию источника тепла (инфракрасная лампа, поток горячего воздуха и др.), а нагревается благодаря теплопередаче через металл.
В заключение следует отметить, что кроме приведен ных способов существуют и другие способы компенса ции, которые, однако, не нашли широкого распростране
но