2. Особенности методов измерения при испытаниях на инерционные нагрузки

Совершенствование методов испытаний на воздействие ли­нейных нагрузок связано с необходимостью получения информации о температуре, тепловых потоках, давлении, деформациях и механических напряжениях в различных точках вращающихся объектов, а также измерять и поддерживать частоту вращения и ускорение платформы центрифуги.

Для измерения каких-либо величин с вращающихся объек­тов в местах измерения необходимо разместить измерительные устройства (датчики), вырабатывающие сигналы, которые соот­ветствуют уровню измеряемых величин, передать эти сигналы с вращающихся элементов на неподвижные, а затем измерить их.

Датчики и измерительные системы, используемые для получения информации с вращающихся объектов, принципиально не отличаются от датчиков и измерительных систем для стацио­нарных условий, хотя и могут иметь специфические особенности Передача сигналов с вращающихся элементов на неподвижные представляет собой наиболее сложную часть измерительной про­цедуры, реализация которой требует разработки специальных устройств. Эти устройства весьма разнообразны по принципу действия и конструктивному оформлению и к настоящему време­ни нестандартизированы.

Способы выработки сигналов зависят от вида измеряемых величин.

Выработка сигнала при измерении температуры вращающих­ся деталей может осуществляться неэлектрическими и электрическими способами. В первом случае температура регистриру­ется с помощью термокрасок, плавких вставок, фотометричес­ких приемов и т.д. Во втором случае электрический сигнал вы­рабатывается с помощью термопары или термометра сопротив­ления. В настоящее время при измерении температуры исполь­зуют почти исключительно второй способ выработки сигналов. При этом наиболее часто предпочтение отдается термопарным датчикам так как они позволяют измерить локальное значение температуры; их относят к числу малоинерционных чувствитель­ных элементов.

При измерении деформаций и связанных с ними механичес­ких напряжений во вращающихся деталях используют тензодатчики (тензорезисторы), которые наклеивают на исследуемые по­верхности, в результате чего они деформируются вместе с де­талями. Тензодатчиками можно измерять деформации, обуслов­ленные растяжением, изгибом и кручением. Эти деформации мо­гут использоваться для определения напряжений в материале де­формируемых деталей, а деформация, которая обусловлена круче­нием вала, передающего крутящий момент, может использоваться для определения крутящего момента.

При измерении давления на вращающихся объектах информа­ция о давлении может быть передана непосредственно на непод­вижный измеряющий прибор через систему трубопроводов с под­вижным уплотнением в месте перехода от вращающихся деталей к неподвижным. При измерении давления газовой среды такой метод называют пневматическим, а при измерении давления ка­пельной жидкости - гидравлическим.

Возможны также электрические и радиотехнические способы измерения давления, при которых на вращающихся элементах ма­шин устанавливают датчики, которые вырабатывают электричес­кие сигналы или радиосигналы, соответствующие воздействующе­му на датчик давления.

Обзор способов выработки сигналов при измерении различ­ных величин на вращающихся объектах показывает, что в подав­ляющем большинстве случаев информацию об измеряемом пара­метре можно получить в виде электрического сигнала. При этом электрический сигнал может генерироваться датчиком (например, термопарой) или отражать изменение электрического тока, про­пускаемого через датчик (например, при использовании термо­метров сопротивления или тензодатчиков). Значительно меньше распространены другие формы сигналов, вырабатываемых датчи­ками.

Датчики, передающие и регистрирующие устройства объединяются измерительной системой, схема которой зависит от ви­да измеряемой величины и способов выработки сигналов, его передачи и измерения.

Датчики, используемые для выработки сигналов на вращаю­щихся объектах, должны допускать дистанционную передачу ин­формации, иметь небольшие размеры и обладать высокой на­дежностью и малой инерционностью.

Датчики для измерения температуры. Для измерения тем­пературы на вращающихся объектах используют термопары, тер­мометры сопротивления, термочувствительные элементы из полупроводниковых объемных сопротивлений, которые называют термисторами. Эти датчики удовлетворяют в основном перечис­ленным выше требованиям. Для локальных измерений темпера­туры лучше подходят термопары, так как термометры сопротив­ления имеют наибольший линейный размер 10 мм и более. Од­нако в области низкой температуры чувствительность термопар существенно уменьшается, что при необходимости передачи ин­формации через токосъемник снижает точность измерения тем­пературы, а иногда делает эти измерения вообще невозможны­ми.

Термопарные датчики конструктивно значительно проще, чем термометры сопротивления. С их помощью можно измерять температуру как на поверхности, так и внутри детали. Их материал выбирается в зависимости от диапазона измеряемой температу­ры. Крепление термопар к месту измерения температуры осу­ществляется обычно сваркой, пайкой или зачеканкой, и только при небольшой частоте вращения допускаются менее надежные способы крепления (приклеивание).

Основная особенность термометров сопротивления для из­мерения температуры на вращающихся объектах - миниатюр­ность. Материал для термометров сопротивления выбирают с учетом диапазона измеряемой температуры и коррозионной стой­кости. Обычно используют платину, медь, железо, никель.

Существенными недостатками проволочных термометров сопротивления являются низкий температурный коэффициент сопро­тивления и малое удельное сопротивление металлических проводников. При передаче информации через контактные токосъемни­ки, обладающие значительными переходными сопротивлениями, эти факторы снижают достоверность получаемой информации.

Тензодатчики. Измерение деформаций и напряжений на вра­щающихся объектах осуществляется с помощью тензодатчиков, которые представляют собой тензочувствительные преобразова­тели (тензорезисторы), Для измерения на вращающихся объек­тах можно применять проволочные, фольговые и полупроводни­ковые тензодатчики, но фольговые датчики имеют преимущест­ва: они допускают значительно большую токовую нагрузку, чем проволочные (из-за большей поверхности охлаждения) и позво­ляют обеспечить более жесткую связь с деформируемой поверх­ностью. Используемая для датчиков фольга имеет толщину от

Важной характеристикой тензодатчика является его коэф­фициент чувствительности к деформации (коэффициент тензо-чувствительности), который представляет собой отношение от­носительного изменения сопротивления к относительной дефор­мации, обусловившей это изменение.

Тензодатчики работают в области упругой деформации, по­этому измеренная датчиком деформация позволяет определить напряжение в материале по закону Гука:

(5.1)

где - модуль упругости материала; - длина деформируе­мого элемента; - его удлинение,

Для чувствительного элемента тензодатчика желательно использовать материалы, которые имели бы большие коэффици­енты чувствительности, достаточно большое удельное электри­ческое сопротивление, небольшой температурный коэффициент электрического сопротивления и достаточно большой диапазон линейной зависимости между относительной деформацией и изме­нением сопротивления. Наиболее полно этим требованиям удовле­творяет константан (сплав меди и никеля). Возможно примене­ние и других материалов. Для проволочных и фольговых датчи­ков используют одни и те же материалы.

Для константана ; для хромеля, ;

для платины . _ ; для платиноиридиевого сплава . Значительно большие коэффициенты , имеют полупро­водниковые тензодатчики. Например, для тензодатчика, выпол­ненного на основе кремниевой пластинки,

Выбор материала чувствительного элемента тензодатчика, подложки и клея в значительной мере определяется темпепатурными условиями его эксплуатации. При температуре до можно применять константановый датчик, приклеиваемый целлу­лоидно-ацетоновым клеем, а при температуре до для приклеивания используют бакелитовый лак; диапазон возмож­ной температуры повышается. При температуре до для изготовления датчика можно использовать отожженный кон­стантан, а при температуре до - нихром или платино—иридиевый сплав.

Датчики для измерения давления. Для измерения давления на вращающихся объектах кроме датчиков непосредственного измерения давления получили распространение датчики, в кото­рых давление преобразуется в электрическую величину. Инфор­мация о давлении в форме электрических сигналов позволяет построить малоинерционные системы измерения, которые необ­ходимы для изучения быстро изменяющихся во времени процес­сов.

Для преобразования давления в электрический сигнал мож­но использовать тензодатчики, индуктивные и емкостные пре­образователи. Во всех этих датчиках преобразование одного ви­да сигнала в другой осуществляется в результате перемещения или деформации упругого элемента, роль которого чаще всего выполняет мембрана.

При измерении давления с помощью тензодатчика послед­ний наклеивают на мембрану, он измеряет ее деформацию под действием давления. С помощью характеристики мембраны по деформации находят воздействующее на мембрану давление.

В индуктивном датчике деформация мембраны под действи­ем давления приводит к изменению индуктивного сопротивления катушки, а в емкостном датчике - к изменению зазора между мембраной и обкладкой, что вызывает соответствующее измене­ние электрической емкости плоского конденсатора, образованного мембраной и обкладкой. Емкостные датчики, используемые для исследования вращающихся объектов, имеют ограниченное при­менение из-за их низкой чувствительности и зависимости вы­рабатываемого сигнала от вибрации.

Датчики ускорения (акселерометры). Электрические акселе­рометры предназначены для измерения ускорений в диапазоне . По виду электрической части различают тен-зометрические, потенциометрические, пьезоэлектрические и ин­дуктивные акселерометры.

Тензометрические акселерометры используют для измере­ния как статических, так и динамических процессов.

В тенэометрических акселерометрах (рис 5.3,а) тензоэлементы, как правило, соединены в мостовую схему. Перемещение массы под действием инерционной силы вызывает разбаланс моста, и на выходе появляется электрический сигнал, пропор­циональный действующему ускорению. Питание тензометрических акселерометров осуществляется постоянным или перемен­ным напряжением.

В потенциометрических акселерометрах (рис. 5.3,б) чувст­вительный элемент соединен с движком потенциометра. В зави­симости от намотки потенциометра можно получить линейное, синусоидальное, логарифмическое, экспоненциальное или анало­гичное входному сигналу изменение сопротивления. Потенциометрические акселерометры обладают высоковольтным выходом, по­этому не требуют усиления сигнала. Однако они требуют больших перемещений чувствительного элемента, имеют относительно ма­лую полосу пропускания частот и обладают большим механичес­ким трением, что ограничивает их применение.

В пьезоэлектрических акселерометрах (рис. 5.3,в) при воз­никновении ускорения в направлении измерения сейсмическая масса создает соответствующую силу, действующую на пьезо­электрический чувствительный элемент, на поверхности которо­го создается электрический заряд и, следовательно, электричес­кое напряжение, пропорциональное ускорению. Такие акселеро­метры имеют высокую чувствительность и широкую полосу про­пускания, Размер их мал, конструкция проста и надежна, они не требуют внешнего источника питания и вносят малые фоновые искажения. Акселерометры такого типа не способны измерять статическое ускорение, чувствительны к изменениям температу­ры, требуют согласования нагрузки, так как обладают высоким выходным сопротивлением. Они обычно используются для изме­рения высокочастотных вибраций и ударов. На рис, 5.3,г пока­зана другая схема акселерометра с активным пьезоэлектричес­ким чувствительным к сипам сдвига элементом _.

Индуктивный акселерометр (рис, 5.3,д) состоит из двух магнитных систем, в воздушном зазоре которых помещена ферро­магнитная инерционная масса , закрепленная на пружинах. При е

моста, и на выходе появляется электрический сигнал, пропор­циональный действующему ускорению. Питание тензометричес-ких акселерометров осуществляется постоянным или перемен­ным напряжением,

е перемещении изменяется величина воздушного зазора, вызы­вая изменение отношения индуктивностей обмоток магнитных систем. Индуктивные акселерометры измеряют как статические, так и динамические ускорения, обладают большой чувствитель­ностью и высоким отношением полезного сигнала к шуму, имеют очень малый гистерезис (Гистере́зис (греч. ὑστέρησις — «отстающий») — свойство систем (физических, биологических и т.д.), мгновенный отклик которых на приложенные к ним воздействия зависит в том числе и от их текущего состояния, а поведение системы на интервале времени во многом определяется её предысторией.). Для таких приборов требуется источ­ник питания переменного тока, К недостаткам относятся узкая полоса пропускаемых частот и чувствительность к внешним магнитным полям.

Измерительные системы при контактном съеме электричес­кой информации. Измерительная система состоит из датчиков, токосъемника и тококоммутатора, усилителей, измерительной и регистрирующей аппаратуры, источников питания (для тензодат­чиков, датчиков давления и термометров сопротивления), клеммников и коммутирующих проводов. Входящие в электрическую схему элементы и ее структура зависят от вида датчиков, токосъемного устройства и требований к точности измерения, от которого зависят вид измеряющей аппаратуры и схема ее под­соединения.

При передаче информации от вращающегося датчика к изме­рительным приборам возможна однопроводная схема, когда одно­именные провода датчиков объединяют и соединяют с одним кон­тактным кольцом, а каждый из оставшихся проводов подсоеди­няют к отдельному кольцу. Наиболее распространенный способ передачи сигналов основан на использовании двух колец для каж­дого датчика (двухпроводная схема), но для повышения точно­сти измерения возможно использование для каждого датчика трех и четырех колец (трех- и четырехпроводная схемы).

Существенно отличаются измерительные системы, предна­значенные для регистрации изменения электрического сопротив­ления чувствительного элемента датчика (тензодатчика, термо­метра сопротивления, датчика давления) и измерения генерируе­мой датчиком ЭДС (термопары).

Для измерения электрических сопротивлений используют мостовые, компенсационные, логометрические методы и метод амперметра — вольтметра.

Особенность измерения электрических сопротивлений на вращающихся объектах состоит в том, что точному измерению полезного сигнала здесь мешает переходное сопротивление в подвижных контактах и сопротивление достаточно длинных про­водников связи, находящихся в неоднородных температурных условиях. Для измерения сопротивления датчиков часто исполь­зуют мосты, работающие в равновесно и неуравновешенном ре­жимах, Схема соединения такого моста с измеряемым сопро­тивлением (двухпроводное соединение) показана на рис,5.4,

После уравновешивания моста измеряемое сопротивление однозначно выражается через известные сопротивления плеч моста, . При измерении сопротивления в неравновесном режиме работы моста кроме сопротивления плеч моста необходимо знать силу тока в диагонали моста и сопро­тивление ее прибора, а также напряжение источника питания.

При двухпроводной схеме соединения (через контакты и ) измеренное сопротивление представляет собой сумму сопротивлений; сопротивления датчика, , переходного сопро­тивления и сопротивлений соединяющих проводов ( , ), Сопротивление проводов обычно невелико и им частопренебрегают. Определение дает основную по­грешность при измерении сопротивления датчиков. Поэтому та­кая схема измерения пригодна только при достаточно больших сопротивлениях датчиков и достаточно малых переходных сопро­тивлениях токосъемников (ртутные и щеточные токосъемники).

Высокую точность измерения электрического сопротивления датчика обеспечивает потенциометрический метод, схема которо­го показана на рис 5.5. Метод основан на сравнении падения напряжения на вращающемся датчике (с учетом переходного со­противления щеточных контактов) и образцовом сопротивлении _, которое подключают к потенциометру также через щеточ­ные контакты, Для подключения питания к датчику и измерения падения сопротивления используют одну и ту же пару контактов, но возможна схема и с четырьмя контактными кольцами, из ко­торых два используют для подвода питающего тока, а два дру­гих - для соединения контактов датчика с потенциометром. Возможны и другие схемы измерения электрических сопротив­лений датчиков.

При измерении ЭДС, генерируемой вращающимся датчиком (термопарой), помехи в измерительной системе связаны не только с контактной ЭДС, возникающей в месте соприкоснове­ния щетки с кольцом, но и с появлением термоЭДС в местах подсоединения проводов к кольцам токосъемников или в местах соединения удлинительных проводов с элементами измеритель­ной системы. Для исключения термоЭДС в спаях проводов с контактными кольцами последние можно выполнить из тех же материалов, что и термопарные провода.

Дополнительные погрешности измерения температуры тер­мопарой обусловлены тем, что нерабочий (свободный) спай термопары находится обычно на вращающемся объекте, что за­трудняет точное измерение его температуры.

Возможно непосредственное и компенсационное измерение термоЭДС, В первом случае дополнительную погрешность в измерение вносят переходные сопротивления и сопротивления проводов, во втором случае их влияние на точность измерения исключается.

На рис. 5.6 показана однопроводная схема для непосредственного измерения термоЭДС восьми термопар, размещенных на вращающемся объекте. Термоэлектрод у всех термопар об- щий и подключен к одному из колец токосъемника, а каждый из электродов подключен к отдельному кольцу. Свободный спай термопар размещен в неподвижном термостате, его температура контролируется жидкостным термометром. Каждая из термопар подключена к измерительному прибору переключателем . Такую схему можно применить только при использовании ртутных токосъемников, которые имеют пренебрежимо малые переходные сопротивления.

Свободный спай можно разместить на вращающейся детали так, чтобы он располагался в камере, температура среды в которой может быть измерена термометром через неподвижную стенку камеры.

На рис. 5.7. показана потенциометрическая схема подклю­чения вращающейся термопары с промежуточным электродом. Термоэлектроды, образующие рабочий спай термопары 1, которая крепиться к месту замера температуры на вращающейся детали, на противоположных концах образуют термопары 2 и 3, дополнительные электроды которых выполнены из тех же материалов что и контактные кольца. Благодаря этому исключается возникновение термоЭДС в месте припайки термоэлектродов к контактным кольцам.

Свободные спаи термопар вращаются в камере, огражденной кожухом. Температура в камере измеряется неподвижной термопарой 4. В рассмотренной схеме переходное сопротивление не влияет на изменения, но контактная ЭДС искажает результаты измерений, поэтому при обработке опытных данных надо вводить поправку.