книги из ГПНТБ / Бошняк, Л. Л. Измерения при теплотехнических исследованиях

определенном плече относительно центра вращения -О. Устойчи­ вость т ф считается положительной, когда момент М р увеличивается при перемещении системы, и отрицательной в противном случае. В системах с отрицательной устойчивостью при небольшом действую­ щем усилии F нарушается равновесие рычага, и измерение невоз­

где т ф//XG представляет собой учет реальных свойств рычажной системы; с уменьшением этого отношения маятниковая система приближается к идеальному прототипу. Как видно из выражения (Х.2), нелинейность статической характеристики описы­ вается сложным законом. Для упро­ щения закона нелинейности в маят­ никовых динамометрах используют, так называемые, квадранты, обеспе­

чивающие постоянство плеча действия силы F (см. рис. 103, б). В этом случае статическая характеристика получает вид

Для исключения «синусной погрешности» применяются различ­ ные методы [149], один из которых поясняет схема (рис. 104). Здесь компенсация погрешности от нелинейности производится за счет смещения центра тяжести стрелки с помощью помещенного на ней небольшого корригирующего грузика. Измеряемое усилие F с гру­ зоприемного рычага передается через ленту 2 на силоприемный сектор квадранта. Двумя лентами 5 квадрант подвешен к кронштейну и может перекатываться по нему своими опорными секторами, зани­ мая каждый раз такое положение, при котором момент от усилия на ленте 2 относительно направляющих уравновешивается моментом от веса квадранта. Связь квадранта с указательной стрелкой осуще­ ствляется лентой 7, закрепленной одним концом на втором секторе квадранта, а другим на барабане оси стрелки. Постоянное натяжение стрелочного привода создается грузиком 11, подвешенным к бара­ бану на ленте 10, Равномерность шкалы прибора, имеющей 1000

290

Делений на дуге 300°, достигается благодаря небольшому углу откло­ нения квадранта от вертикали (2<р = 36°) и установке корригирую­ щего грузика. Погрешность измерения с помощью весовой головки составляет приблизительно ±0,2% .

Рычажно-пружинные динамометры, в которых измерение про­ изводится по деформации упругого элемента, не обладают высокой точностью. Чрезвычайно трудно обеспечить строгую линейность, постоянство и нечувствительность к температурным воздействиям характеристик пружин. Отклонение от линейности характеристик винтовых цилиндрических пружин из проволоки круглого сечения достигает ±0,5% . Ошибки от гистерезиса для обычных пружинных

Рис. 105. Упрощенная принципиальная схема рейтерного силоизмерителя

материалов составляют 0,1—0,2% полного перемещения. Для сни­ жения вариации показаний вследствие упругого последействия и гистерезиса напряжение в материале упругого элемента не должно превышать 10—20% предела пропорциональности. Лучшее каче­ ство имеют цилиндрические пружины специального профиля сече­ ния или спаренные пружины с правой и левой навивкой. Большие усилия (несколько сотен ньютонов) измеряются пружинными ве­ сами с тарельчатыми пружинами. Для измерения малых усилий или крутящих моментов (менее 1 Н-м) применяются торсионные стержни.

Наилучшие характеристики достигаются в механических дина­ мометрах компенсационного типа. Действие грузовых (рейтерных) динамометров основано на автоматической балансировке сило­ приемного рычага за счет перемещения рейтера. Условия равнове­ сия рычага (рис. 105) записываются в форме, аналогичной (Х.1),

F l \ ~ Glx “Ь ЛДр -f- /72фф,

где 1Х — расстояние от рейтера до опоры (выходной сигнал преобра­ зователя).

Статическая характеристика рейтерного динамометра при по­ стоянных свойствах рычага и шарниров близка к линейной

В реальных силоизмёрительных устройствах суммарный момент трения Мтр является функцией F. В шарикоподшипниках коэффи­ циент трения растет с уменьшением F, и поэтому Мтр (при снижении F) уменьшается медленно. В призменных шарнирах, где призмы и подушки работают в области упругих деформаций, коэффициент трения с ростом F увеличивается, поэтому М тр растет значительно быстрее, чем F. Устойчивость т ф зависит от неуравновешенных подвижных масс тг и от жесткости упругих шарниров ту. Грузо­ вая устойчивость тг не зависит от действующих сил, а упругая ту

При необходимости в рейтерных системах используются ком­ пенсаторы устойчивости, например в виде груза Gx, помещаемого над рычагом на некоторой высоте h. Для уменьшения величины этого груза его иногда связывают с измерительным коромыслом рычаж­ ной передаточной системой. Если передаточное отношение системы равно i, а устойчивость рычага без груза /лф = TFI (см. рис. 105), то общая устойчивость m оказывается равной

m = TH — G^i*

и может быть уменьшена до любого значения. Однако следует иметь

ввиду, что чрезмерное уменьшение устойчивости недопустимо, так как при этом положение равновесия устанавливается медленно, а при отрицательном значении m — вообще отсутствует. Изменение устойчивости также сказывается на динамических свойствах преоб­ разователя, так как частота собственных колебаний рычага равна

где J — момент инерции рычага.

Принципиальная схема рейтерных компенсационных динамо­ метров полностью аналогична схеме, приведенной на рис. 88. Датчик перемещений вместе с сервомотором образует замкнутую систему автоматического регулирования, в которой регулируемым параметром является угловое положение рычага, а роль регулирую­ щего органа выполняет ходовой винт с грузом (рейтером). В качестве датчиков перемещения чаще всего применяются индуктивные (транс­ форматорные) или контактные устройства. В системах-с индуктив­ ным датчиком для уменьшения колебаний рычага в системе управле­ ния предусматривается гибкая обратная связь, состоящая из индук­ ционного тахогенератора, установленного на одном валу с сервомо­ тором. В отличие от индуктивных датчиков, обеспечивающих непре­ рывное изменение скорости сервомотора от нуля до максимума, контактные датчики при включении сообщают сервомотору сразу не­ которую конечную скорость. Недостатком весового элемента с кон­ тактным датчиком перемещения является склонность к автоколеба­ ниям всей системы автоматического уравновешивания при увели­

292

чении чувствительности приемного рычага. Автоколебания вызы­ ваются инерцией сервомотора и связанных с ним вращающихся деталей. Если амплитуда перемещений груза меньше допустимой погрешности измерения, то в принципе автоколебания не вредят изме­ рениям и приводят лишь к порче контактных устройств. Амплитуда перемещений груза при автоколебаниях увеличивается с увеличе­ нием угловой скорости сервомотора и уменьшается с увеличением момента сопротивления на валу сервомотора после разрыва контак­ тов; кроме того, она зависит от степени демпфирования рычага.

Рис. 106. Автоматический рейтерный динамометр с контактным датчиком:

Чтобы не снижать быстродействия весового элемента (т. е. ско­ рости уравновешивания), применяют двухскоростнуо систему управ­ ления сервомотором (рис. 106), обеспечивающую резкое уменьшение скорости вращения сервомотора непосредственно перед достижением грузом равновесного положения и резкое торможение сервомотора при разрыве управляющих контактов. Для этого на одном валу с сервомотором устанавливается электромагнитный тормоз, состоя­ щий из железного ротора, вращающегося в магнитном поле статора, питаемого постоянным током. При вращении ротора в нем индуци­ руются токи Фуко, и на валу возникает момент, пропорциональный скорости вращения. На рычаге, помимо основной системы точных контактов, имеется вторая система грубых контактов, величина за­ зора в которых немного больше, чем в точных контактах. При ра­ зомкнутых контактах подается питание на статор тормоза; сервомо-

293

fop обесточен. При небольших нарушениях равновесия рычага замыкаются точные контакты и сервомотор, преодолевая действие тормоза, развивает малую скорость. При больших нарушениях равновесия гибкая пластинка, несущая точный контакт, изгибается и происходит замыкание грубых контактов, закорачивающих обмотку возбуждения тормоза. Сопротивление тормоза падает до нуля и сервомотор развивает большое число оборотов. При подходе к поло­ жению равновесия грубый контакт выключается и включает тормоз, скорость перемещения рейтера падает, благодаря чему снижается вероятность пробега рейтера через положение равновесия. В момент полного равновесия выключается и точный контакт; сервомотор останавливается.

Некоторые типы рейтерных весов снабжаются системой диапа­ зонных грузов, которые автоматически навешиваются или снимаются с приемного рычага. Упрощенная схема механизма навески изобра­ жена на рис. 106. В крайних положениях рейтер замыкает контакты концевых выключателей. Когда измеряемое усилие F превышает некоторую заданную величину, включается двигатель, который опускает платформу с гирями на определенную высоту, после чего цепь питания двигателя размыкается дисковым переключателем. При этом одна из гирь оказывается подвешенной к рычагу. При уменьшении усилия F ниже заданной величины рейтер замыкает цепь контактов другого концевого выключателя, платформа поднимается вверх и снимает одну из гирь с серьги рычага.

Точность измерения сил на рычажных динамометрах во многом зависит от степени демпфирования колебаний рычага, вызванных нестационарностью силы F. Слишком большое демпфирование при­ водит к запаздыванию разрыва точных контактов, особенно если контактная пластинка имеет малую жесткость. Это приводит к пе­ ребрасыванию рейтера за положение равновесия и вызывает автоко­ лебания. При очень слабом демпфировании после разрыва точных контактов демпфер не в состоянии поглотить кинетическую энергию рычага и автоколебания могут возникнуть даже при безынерцион­ ном выбеге груза. Поэтому демпфирование должно подбираться так, чтобы после разрыва точного контакта кинетическая энергия движе­ ния рычага была бы полностью поглощена до замыкания противо­ положного точного контакта. Иногда вместо гидравлических при­ меняются электромагнитные демпферы, включаемые только после разрыва точных контактов.

В схемах компенсационных динамометров с уравновешиванием измеряемого усилия силами упругости пружины (или иного гибкого элемента) имеются контактные или индуктивные датчики переме­ щения, управляющие сервомотором, который увеличивает или уменьшает степень сжатия пружины. Принцип действия подобных систем ясно виден на схемах, приведенных на рис. 107.

Быстродействие рычажных силоизмерителей достигается при использовании электромагнитных возбудителей уравновешивающей силы. Приборы, построенные по схеме, изображенной на рис. 107, б, позволяют измерять без искажений усилия, пульсирующие с часто­

294

той до 10—20 Гц. Здесь сигнал электрического датчика перемещения (фотоэлектрического, емкостного или индуктивного типа) усили­ вается в усилителе, который питает током катушку. Величина тока в цепи катушки является выходным сигналом динамометра и может измеряться непосредственно или по падению напряжения на сопро­ тивлении R. В такой схеме катушка и постоянный магнит составляют систему, подобную пружине с переменной жесткостью. Поскольку

Рис. 107. Схемы компенсационных динамометров: а — пружинного типа:

троконтакты; 10 — начальный груз;

б — электромагнитного типа со статическим уравновешиванием:

1 — грузоприемный рычаг; 2 — датчик перемещения; 3 — усилитель; 4 — катушка; 5 — постоянный магнит

величину коэффициента усиления усилителя можно выбрать такой, чтобы перемещение катушки не превосходило 0,01 мм, то жесткость «электрической пружины», от которой зависит быстродействие при­ бора, может быть очень велика. Так, например, в весовом элементе, используемом в Вашингтонском университете, коэффициент жест­ кости составлял около 2>106 Н/м и собственная частота была равна 200 Гц [161]. При максимальной нагруке в 30—50 Н сила тока в катушке составляла 30—50 мА. Весовые элементы этого типа поз­ воляют получать погрешность и нелинейность характеристик по­ рядка 0,1%.

2. Гидравлические и пневматические динамометры

Гидравлические и пневматические силоизмерители (мессдозы) предназначены для преобразования измеряемого усилия в давление жидкости или воздуха, которое затем измеряется с помощью мано­ метра любого типа. Принципиально мессдозы представляют собой простейшие поршневые пары и дают возможность дистанционно измерять усилия практически любой величины. В современной иссле­

295

довательской технике используются статические (глухие) жидко­ стные, проточные жидкостные и пневматические, компенсационные жидкостные и пневматические мессдозы.

Схема глухой гидравлической мессдозы представлена на рис. 108. Здесь измеряемое усилие F, воздействуя на поршень, создает давле­ ние в жидкости, заключенной между корпусом и поршнем. Для гер­ метизации полости с жидкостью используется эластичная мембрана. Исключение вредного действия боковых составляющих измеряемого усилия достигается за счет использования шариковой передачи уси­ лия и установки направляющих пластин типа изображенных на рис. 25, в. Рабочие (герметизирующие) мембраны для давлений до

Рис. 108. Глухая диафрагменная мессдоза:

1 — основание корпуса; 2 — дренажный кран; 3 — крышка кор­ пуса; 4, 5 — гибкие пластины; 6 — поршень; 7 — шарик; 8 — мано­ метр; 9 — диафрагма; 10 — баллон с рабочей жидкостью; 11 — з а ­ правочный кран; 12 — воздушный редуктор

106 Па изготавливаются из высокопрочной прорезиненной мембран­ ной ткани толщиной 0,3—0,8 мм на стеклянной, шелковой и капро­ новой основе или из бериллиевой бронзы толщиной 0,05—0,06 мм. Мембраны из бронзы отличаются от мембран из прорезиненных тка­ ней лучшей линейностью характеристики и отсутствием гистерезиса. Для мембран, работающих при больших давлениях, применяется маслобензостойкая резина средней твердости толщиной 2—3 мм.

На точность измерения сил с помощью мессдоз существенное влияние оказывает величина перемещения поршня, поскольку эффек­ тивная площадь рабочей мембраны меняется при ее прогибе, а на деформацию направляющих пластин затрачивается некоторое уси­ лие. Если допустить, что рабочая полость системы заполнена абсо­ лютно несжимаемой жидкостью и пренебречь деформациями рабочей мембраны, корпуса и соединительных трубок, то ход поршня опре­ делится лишь изменением объема внутренних полостей манометра.

При использовании обычных трубчатых манометров ход поршня мессдозы под действием максимальной нагрузки в идеальном случае

296

не должен был бы превышать 0,05—0,1 мм. В действительности в глухих гидравлических мессдозах наблюдаются значительно большие перемещения поршней, доходящие до 1 —1,5 мм. Это объяс­ няется прежде всего сжимаемостью реальных рабочих жидкостей,

большую — минеральные масла и силиконовые жидкости [158[. Боль­ шие перемещения поршней мессдоз вызываются также захватом воз­ духа при заполнении гидравлической системы. Часть этого воздуха растворяется в жидкости и мало влияет на сжимаемость жидкости, часть его находится в свободном состоянии и существенно сказы­ вается на перемещении поршня. При определенных условиях рас­ творенный в жидкости воздух может выделяться из раствора и пе­ реходить в свободное состояние. Для исключения возможности обра­ зования воздушных включений днище поршня имеет выпуклость в наружную сторону, а в наивысшей точке подпоршневого простран­ ства предусматривается дренажное отверстие с краном. Заполнение гидравлической системы производится обычно (после предваритель­ ного вакуумирования манометрической магистрали) под давлением при открытом дренажном кране. Влияние воздушных включений особенно существенно в нижней части рабочего диапазона мессдозы, когда давление в рабочей полости невелико. При больших ходах поршня и высокой податливости системы возможно возникновение неустойчивых режимов работы. В некоторых конструкциях глухих мессдоз предусматривается создание начального повышенного дав­ ления в рабочей полости примерно 10—20 Па, что увеличивает устой­ чивость, уменьшает ход поршня и влияние воздушных включений, но одновременно сужает диапазон измеряемых усилий. Такое повы­ шение начального давления может осуществляться либо с помощью пружин, нагружающих поршень, либо повышением давления при заливке гидравлической системы (подпитка).

Вследствие малых перемещений поршня несмотря на его значи­ тельную массу: инерционные искажения в системе мессдоза — ма­ нометрическая линия — манометр сравнительно невелики и в основ­ ном определяются характеристиками линии и манометра. Поэтому часто давление в полости мессдозы измеряется с помощью электри­ ческих датчиков, ввинчиваемых непосредственно в корпус мессдозы. Кроме мессдоз с разделительной рабочей мембраной известны и другие конструкции глухих мессдоз: сильфонные [81 ], с жесткой толстой мембраной или с приклеенным к поршню и корпусу резино­ вым кольцом, герметизирующим рабочую полость [61].

Температурные погрешности глухих мессдоз не позволяют обеспечивать высокой точности измерения [лучше ± (1,5— 2) % от верхнего предела показаний] из-за замкнутости рабочего объема гидравлической системы. Лучшие характеристики имеют проточные гидравлические или пневматические мессдозы, в которых источни­ ком давления служит внешний нагнетатель (насос или баллон с дав­ лением), а поршень связан с золотником—регулятором давления

297

в рабочей полости. В таких мессдозах измеряемое усилие уравновешивается давлением движущегося через полость потока жидкости или воздуха. Так как во время работы в проточную мессдозу посту­ пают все новые порции рабочего тела, то нет необходимости в пол­ ной герметизации гидропневматической системы, и, следовательно, в конструкции могут быть использованы весьма точные элементы типа неуплотненных поршневых пар (см. гл. IX). В качестве примера жидкостной проточной мессдозы рассмотрим принципиальную схему, приведенную на рис. 109.

При измерении насос нагнетает жидкость из бака в полость под поршнем, к которому приложено измеряемое усилие F. Если F меньше силы давления жидкости р5эф, то поршень, перемещаясь

Рис. 109. Принципиальная^схема проточной мессдозы:

1 — поршень; 2 — корпус; 3 — магистраль слива протек­ шего масла; 4 — манометр; 5 — сливная магистраль; 6 — масляный бак; 7 — предохранительный клапан; 8 — масля­ ный насос

вверх, откроет выпускные отверстия, перепад давления на которых начнет снижаться, т. е. начнет снижаться давление под поршнем. Перемещение поршня вверх прекратится, когда F = р5эф. Таким образом, статическая характеристика мессдозы имеет тот же вид, что и в глухом варианте,

но в проточном варианте постоянство эффективной площади го­ раздо выше. Поскольку сжимаемость жидкости в проточных мессдо­ зах не сказывается на точности измерения, то обычно используются различные масла, вязкие свойства которых обеспечивают наимень­ шую протечку жидкости в зазоре неуплотненной поршневой пары. Расход масла через зазор поршневой пары при давлениях (1 ч-2) 103 Па определяется по формуле

пягАрб3

^&цГ~’

где г — радиус поршня; б — величина зазора на сторону; I — длина поршня, погруженного в цилиндр; Ар — перепад давления на коль­ цевом зазоре, через который протекает масло; р — динамическая

298