3. Несовершенство упругих свойств деформационного преобразователя
Точность работы первичных приборов информации для измерения давления (измеритель давления) определяется в значительной степени и прежде всего стабильностью свойств деформационного преобразователя (ДП).
Отклонение от законов идеальной упругости (от законов Гука), которые в большей или меньшей степени свойственны всем ДП, называется несовершенством свойств упругости.
Несовершенство свойств упругости связаны с появлением в материале ДП микроскопических деформаций. С ростом напряжений σ эти деформации увеличиваются, а следовательно растут и погрешности ДП.
Эти погрешности полностью входят в суммарную погрешность ИД и существенно снижают точность измерения.
НСУ проявляются в виде:
упругого последействия (УПД); релаксации напряжений; гистерезис.
Рис.5. Функция преобразования ДП при наличии упругого последействия
На рис.5: 1 – прямое упругое последействие – УПД, 2 – обратное упругое
последействие
I.
Прямое
упругое последействие – проявляется
в изменении деформации
при постоянных значениях напряжений σ
или усилия
.
Основная часть деформации
практически происходит во времени
мгновенно, а затем постепенно возрастает
во времени на величину
и достигает
практически при постоянном значении
(или σ), то есть материал ДП как бы «течет»
при неизменном значении усилия
(на графике рис.4- фрагмент графика
= f
(T)).
Обратное
упругое последействие – второе
наблюдается при уменьшении усилия
в виде уменьшения деформации
,
которое происходит после прекращения
действия усилия
.
Таким образом, в ИД с ДП УПД выражается в изменении выходного сигнала с течением времени при постоянном значении входного информативного сигнала.
То есть влияние УПД приводит к динамической погрешности
II. Релаксация напряжений в виде снижений напряжения в теле ДП 1 во времени при постоянной деформации .
Р
ис.6.
Зависимость усилия (напряжений от
деформаций) и во времени при релаксации
напряжений
1 – прямая релаксация; 2 – обратная релаксация.
Аналогично УПД различают прямую релаксацию напряжений после деформирования и обратную релаксацию напряжений после снятия деформаций. Погрешность, возникающую от действия релаксаций, необходимо учитывать при проектировании ДП, обеспечивающих силовое замыкание кинетических цепей ИД и приборов первичной информации, служащих для измерения упругих механических величин.
Релаксация измерений в этом случае вызывает изменение замыкающего усилия во времени.
III. Упругий гистерезис, проявляется в том, что при увеличении входного усилия (упругого напряжения) или при его уменьшении (упругом разгружении) ДП одни и те же деформации получаются при различных входных усилиях (напряжениях σ в теле ДП) или наоборот одинаковые напряжения имеют место при различных деформациях.
Рис.7. Петля гистерезиса: 1–кривые нагружения; 2–кривые разгружения.
На функции преобразования ДП (рис.6) это выражается в том, что кривая 1 прямого хода (то есть увеличения усилия ) располагается ниже кривой 2 обратного хода (уменьшения входного усилия ) и в результате функция преобразования имеет форму петли. Площадь петли в соответствующем масштабе дает представление о той энергии, которая затрачена на межмолекулярное трение за один цикл нагружения ДП.
Отклонение от закона Гука (идеальной упругости), вызванные упругим последействием, релаксацией напряжения и упругим гистерезисом, оценивается в конечном итоге значением гистерезиса, которое и определяет результирующую погрешность ИД в виде несовпадения результатов измерения при прямом и обратном изменении измеряемой величины.
На НСУ существенное влияние оказывает многие конструктивные, технологические и эксплуатационные факторы. К их числу относятся:
вид материала ДП;
характер покрытия ДП;
режим термомеханической обработки;
конструктивная форма;
температурный и нагрузочный коэффициент ДП;
максимальное значение σ.
Снижение НСУ является одной из эффективных мер повышения точности и надежности ППИ, служащих для измерения механических величин.
Для уменьшения НСУ проводятся специальные технологические операции, как например, стабилизация, является заключительной операцией в техническом процессе изготовления ДП.
Стабилизация заключается в циклическом нагружении ДП усилиями превышающими максимальное значение измеряемой механической величины на 20 – 50% в течении определенного времени.
В этом случае в результате стабилизации ДП уменьшается не только НСУ, но и обеспечивается постоянство этих свойств в течении эксплуатации.
Упругие элементы из кварца, сапфира и кремния практически не имеют гистерезиса и последействия.
Таким образом, в результате погрешность от несовершенства упругих свойств материала УЭ ДП может быть уменьшена до 0,05-0,1%.