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

от его диаметра и формы сливных отверстий и составляет для различ­ ных конструкций мессдоз 1—5 мм. Жидкость, просочившаяся через зазор поршневой пары, собирается в верхней проточке цилиндра и отйодится в бак.

Главным источником погрешностей измерения в проточных гидравлических мессдозах является трение в поршневой паре. Силы трения возникают из-за неизбежных боковых составляющих изме­ ряемого усилия и несимметричности давления жидкости в зазоре между поршнем и цилиндром. С увеличением давления жидкости растет неуравновешенная боковая сила, прижимающая поршень к стенке цилиндра, происходит выдавливание жидкостной пленки и возникает полусухое трение. Для борьбы с отмеченным явлением используются различные методы, один из которых состоит в про­ точке на поверхности поршня или цилиндра разгружающих канавок шириной 0,3—1,0 мм и глубиной 0,2—0,8 мм. По опытным данным [10], наличие одной канавки снижает трение со 100% (при гладком поршне) до 40%, а при семи канавках — до 2,7%. Кроме того, на­ личие канавок уменьшает протечки через зазор вследствие повышения

Рис. ПО. Проточная пневма­ тическая мессдоза:

/ — предохранительный колпак; 2 — направляющая мембрана; 3 — конус; 4 — седло; 5 — гильза; 6 — манометр; 7 — входное сопло; 8 — редуктор давления;

9 — фильтр

гидравлического сопротивления. Еще более эффективным методом устранения трения в поршневой паре является принудительное вра­ щение поршня или цилиндра. Другой метод заключается в создании в потоке жидкости высокочастотных пульсаций, что способствует восстановлению жидкостной пленки в зазоре поршневой пары.

Гидравлические глухие и проточные мессдозы применяются для измерения сил от сотен до миллионов ньютонов. При измерениях малых усилий хорошо зарекомендовали себя пневматические про­ точные устройства, по принципу действия аналогичные широко

299

известным «воздушным подушкам». В простейшем виде такая мессдоза состоит из плоской круглой пяты и подпятника, снабженного по периферии невысоким кольцевым буртом. Сжатый воздух по­ дается через входное сопло к отверстию в центре подпятника и вы­ ходит через кольцевой зазор бурта наружу. При увеличении нагрузки зазор уменьшается и давление под пятой увеличивается, причем это давление постоянно в полости под пятой и падает до атмосфер­ ного на длине бурта. Другим примером мессдозы подобного типа может служить конструкция, изображенная на рис. ПО [162]. Измеряемое усилие F передается через предохранительный колпак на гофрированную металлическую мембрану, несущую на себе кла­ пан золотника. При изменении F от 0,6 до 1,5 Н давление в полости между входным соплом и золотником изменяется с удовлетворитель­ ной линейностью. Для измерения еще меньших усилий (до несколь­ ких долей ньютона) применяются безмембранные пневматические мессдозы с золотником в виде плоской или шариковой заслонки.

Основными недостатками проточных мессдоз являются необхо­ димость непрерывной прокачки рабочей жидкости во время измере­ ния и относительно большой ход поршня. По первой причине про­ точные системы не могут употребляться при длительных измерениях даже постоянных во времени сил, так как запасы рабочего тела неизбежно ограничены. Большой ход первичных преобразователей силомеров часто бывает нежелателен из-за необходимости создания механизма, позволяющего перемещаться объекту исследований без существенных усилий на это перемещение. Указанные недостатки отсутствуют в гидравлических или пневматических мессдозах ком­ пенсационного типа. Такие системы не требуют протока рабочего тела при неизменном измеряемом усилии, но также, как и проточные системы, не чувствительны к изменениям температуры или утечкам жидкости, что позволяет использовать неуплотненные поршневые пары.

Конструктивная и функциональные схемы компенсационной жидкостной мессдозы с уплотнительной мембраной приведены на рис. 111. Работа мессдозы происходит в следующем порядке. Изме­ ряемое усилие F приложено к поршню, подвешенному на направляю­ щих пластинах в корпусе. Рабочая полость под поршнем герметизи­ рована при помощи резиновой мембраны. В корпусе расположен клапан подпитки, через который в рабочую полость может поступать трансформаторное масло из питающего баллона. На поршне нахо­ дится клапан сброса масла в сливной бак. Работой обоих клапанов управляют поршень мессдозы и специальный толкатель, связываю­ щий клапаны. При неизменном значении F объем жидкости в полости под поршнем постоянный и движения масла нет. Увеличение (или уменьшение) F влечет за собой перемещение поршня и открытие впускного (или сливного) клапана (рис. 111, б). Через впускной кла­ пан подпитки в полость под поршнем поступает масло под давлением примерно вдвое большим, чем рабочее давление, благодаря чему давление под поршнем растет, поршень движется навстречу F, пока не наступит равенство F = р5эф. При уменьшении усилия F пор-

300

шень под действием давления в рабочей полости поднимается вверх и открывает сливной клапан; жидкость вытекает из-под поршня до тех пор, пока снова не наступит равновесие. Для устойчивой и точ­ ной работы такой мессдозы площадь поршня выбирается таким

X

образом, чтобы давление в полости было в пределах 10е—107 Па; при малых измеряемых усилиях требуется предварительное нагру­ жение поршня постоянной нагрузкой равной приблизительно 3—5% от максимальной. При использовании поршневого манометра в ка­ честве регистратора давления приведенная погрешность измерения

301

составляет приблизительно ±0,2% ; при сужении диапазона изме­ рения возможна еще большая точность.

Недостаток мессдоз с клапанным регулированием заключается в том, что для открытия клапана подпитки измеряемое усилие должно преодолеть силу

давление питания; ризм — давление в рабочей полости силоизмерителя; SKJ] — площадь сечения клапана подпитки. Непостоянство давления рп вызывает непостоянство Т и тем самым сказывается на

Рис. 112. Поршневая месс-

погрешности измерения. Этого недостатка лишены мессдозы с порш­ нем золотникового типа, управляющим подпиткой и сбросом давле­ ния без помощи клапанов.

Устройство золотниковой компенсационной мессдозы показано на рис. 112. Рабочими элементами здесь являются неподвижный корпус и вращающийся (для снятия полусухого трения) поршень с кольцевыми проточками. При смещении поршня под действием измеряемого усилия открывается вход рабочей жидкости повышен­ ного давления. Под действием этого давления происходит смещение поршня навстречу усилию F, запирание входного и открытие вы­ ходного отверстий. Такая мессдоза была применена для измерения к. п. д. гидромашин на балансирных электродвигателях мощностью 10—350 л. с. [78]. Перемещение поршня около нейтрального поло­ жения составляло около 0,05 мм.

3. Упругие динамометры с электрическими датчиками

Высокоточные механические и гидравлические силоизмерители могут применяться исключительно в статических или близких к ним режимах. Для измерения усилий на переходных и неустановившихся режимах используются электрические динамометры различных ти­ пов. Все они представляют собой специальные упругие системы, деформации отдельных элементов которых пропорциональны изме­ ряемым усилиям и моментам. Эти деформации измеряются при по-

302

Мощи электрических преобразователей проволочного, индуктивного, емкостного или иного типа. Наибольшее распространение в настоя­ щее время получили проволочные тензометрические и струнные преобразователи.

Упругие элементы, работающие совместно с наклеиваемыми тензопреобразователями, в зависимости от величины и направления измеряемого усилия, наличия дополнительных неизмеряемых на­ грузок и способа установки выполняются различной конструктив­ ной формы. Основные требования к ним сводятся к обеспечению высокой сигнальной деформации при достаточно большом запасе прочности, к отсутствию нелинейности и гистерезиса и воспроизво-

Рис. 113. Различные типы упругих элементов электросилоизмерителей: а, б, в — для измерения изгибающих; г, д — растягивающих; е, ж, з — сжимающих усилий

димости показаний. Наиболее типичные формы упругих элементов тензометрических динамометров изображены на рис. 113. Динамо­ метры в виде простой консольной балки, работающей на изгиб, при­ годны для измерения малых усилий от долей ньютона и выше. При изгибе поперечной силой консольного стержня толщиной h макси­ мальное сигнальное напряжение на расстоянии I от точки ее прило­ жения в 61/h раз больше, чем в случае растянутого или сжатого той же силой стержня с тем же поперечным сечением. Поэтому продольно нагружаемые стержни применяются в основном для измерения боль­ ших сил. При одинаковой абсолютной величине сигнальной де­ формации перемещение точки приложения нагрузки при изгибе стержня больше, чем при продольном нагружении. Большие пере­ мещения часто бывают вредны, так как уменьшение жесткости сни­ жает собственную частоту колебаний элементов и изменяет положе­ ние точки приложения силы. Однако чувствительность в большин­ стве случаев имеет превалирующее значение, в связи с чем в тензодинамометрах чаще применяются упругие элементы, работающие на изгиб. Если точка приложения силы неизвестна, то для ее изме­ рения прибегают к упругим элементам, обеспечивающим перемещение

303

в направлении действия силы. Например, упругий параллелограмм дает возможность измерить составляющую силы, действующую пер­ пендикулярно консольным пластинкам, связывающим между собой два жестких звена. Для уменьшения вредного влияния силы парал­ лельной пластинке и момента относительно свободного конца пла­ стинок средняя пластинка имеет большую толщину (рис. 113,6) и воспринимает на себя большую часть измеряемой поперечной силы. Момент почти целиком воспринимается за счет растяжения и сжатия крайних пластинок. В этом случае упругий параллелограмм выпол­ няет роль кинематического элемента, а измерительным элементом является лишь средняя пластинка. На рис. 113, в, з приведены

несколько видоизмененные кон­ струкции упругих параллелограмов, предназначенные для измере­ ния изгибающих сил через дефор­ мации сжатия и сжимающих сил

и омическое сопротивление прово­ локи, а также упругим несовершенством материала, обычно не пре­ вышает (при малом изменении температуры) величины ±0,3—0,5%. Такого же порядка погрешности вносятся усилителем электриче­ ского сигнала и вибратором осциллографа. Поэтому при регистра­ ции быстропеременных сигналов тензодинамометров на шлейфовом осциллографе погрешность измерения составляет ±(1,5—3)%,а при измерении медленно меняющихся сил с регистрацией сигнала на электронном потенциометрическом мосту погрешность может быть снижена до ±0,5% .

В датчиках силоизмерителей широко применяются ненаклеиваемые тензометры. Примером такой конструкции может служить дат­ чик силы, разработанный в Одесском политехническом институте (рис. 114). Он предназначен для измерения сил до 1,5 хЮ 5 Н, вос­ принимаемых двумя упругими элементами тарельчатой формы. На кольцевых выступах тарелей навиты сопротивления из тензочувствительной проволоки, включенные в мостовую схему. При де­ формации тарелей наружные кольцевые выступы сжимаются, а

304

внутренние — расширяются. Чувствительность тензодинамометра при максимальной нагрузке AR/R = 3,65 10“ 3.

Тензометрические элементы чрезвычайно удобны для создания упругих динамометров, предназначенных для одновременного из­ мерения нескольких компонент действующей нагрузки. Так, на­ пример, упругий элемент (рис. 115) позволяет одновременно измерять две силы и три момента, лежащие во взаимно перпендикулярных плоскостях. Силы Fy и Fz измеряются при помощи мостов, реаги­ рующих на деформации поперечного изгиба центрального стрежня в двух плоскостях, а моменты М у и M z — при помощи мостов, реагирующих на деформации растяжения и сжатия наружных стерж­

ней. Этот же сложный упругий элемент используется для измерения пятой компоненты М х при помощи тензодатчиков, установленных у корневой части стержней и соединенных в мостовую схему, реаги­ рующую на их 5-образный прогиб. Тензодатчики для измерения М у и М 2 устанавливаются в средней части стержней, где деформация наиболее близка к чистому растяжению или сжатию.

Для измерения крутящих моментов по деформации участка вала, передающего мощность, также могут быть использованы тензоэлементы. Такие приборы получили название тензометрических торсио­ метров. В простейшем случае тензоэлементы наклеиваются на внеш­ нюю поверхность вала (см. рис. 80). При скручивании круглого стержня главные нормальные напряжения равны, обратны по знаку и направлены под углом 45° к его оси. Тензодатчики, наклеенные на

вал, испытывают деформации, эквивалентные состоянию чистогб сдвига:

Здесь р, и £ — коэффициент Пуассона и модуль упругости материала вала, Wp — полярный момент сопротивления сечения вала, в ко­ тором установлены датчики. Сигнал разбаланса измерительного моста выражается через измеряемый момент

AU = Ш11Щ( г , - Ч + Ч - г , ) = UIln 'И'» ^ + >‘>- ,

где U — напряжение питания моста, Л7я = -^г / Т" — коэффи­

циент тензочувствительности датчиков. Чувствительность к М кр можно повысить при помощи упругих элементов, в которых момент кручения вызывает изгиб одной или нескольких пар стержней или пластинок (рис. 116).

Рис. 116. Тензометрические упругие элементы для измерения моментов

Существуют торсиометры, основанные и на других принципах действия (емкостные, механические, индуктивные и др.). В качестве примера подобных устройств рассмотрим схему фотоэлектрического торсиометра (рис. 117). На участке вала, передающего мощность, жестко укреплены два диска с радиальными прорезями. При вра­ щении вала с нулевой нагрузкой прорези совпадают друг с другом. Между дисками установлен осветитель, а с другой стороны каждого диска — фотоэлементы. Когда к валу приложен крутящий момент, то в результате упругой деформации вала прорези в дисках сме­ щаются относительно друг друга и фотоэлементы освещаются не одновременно. Импульсы, возбужденные в фотоэлементах, поступают в регистрирующее устройство, измеряющее промежуток времени, прошедший между ними. Преимуществом торсиометра этого типа

306

кроме безынерционное™ является бесконтактный способ передачи сигнала от вращающегося вала к регистрирующему устройству.

В последние годы в связи с общим развитием измерительных пре­ образователей с частотно-модулированными сигналами получили большое распространение датчики силы со струнными тензометрами. Принцип действия струнных датчиков основан на зависимости соб­ ственной частоты колебаний натянутой струны от силы ее натяже­ ния F или удлинения А/

механической цепи датчика является жесткость струны, то осуще­ ствляется режим заданной силы в струне, при котором величина ее деформации является второстепенным фактором. Перемещение по­ движной части предварительного преобразователя при этом огра­ ничивается струной (или лентой), и все погрешности, связанные

сизменением его параметров при перемещении, исключаются. По­ этому такой режим оказывается выгодней, несмотря на то, что струна в этом случае принимает на себя всю измеряемую нагрузку.

Однострунные датчики либо имеют существенно нелинейную характеристику и требуют внешних линеаризаторов, либо рассчи­ тываются на узкий диапазон изменения частоты. В некоторых слу­ чаях возможна коррекция нелинейности струны нелинейностью упругого предварительного преобразователя (мембраны) или меха­ нической передачи, а при больших измерительных перемещениях —

спомощью кулачков или лекал. Лучшие результаты достигаются

при использовании дифференциальных схем. В датчике, выполненном по схеме на рис. 118, а, измеряемая сила F направлена перпенди­ кулярно усилию F 0 высокостабильной пружины и вызывает пере­ распределение натяжения струн. Разностная частота равна

/о

f = h ~ h =

'o t g - f

где f о — частота при F = 0. На схеме рис. 118, б две струны рас­ положены под малым углом и натянуты пружиной, создающей по­ стоянный суммарный натяг струн. Перемещение конца одной из струн приводит к перераспределению сил натяжения. Характери­ стика датчика имеет вид

где Sc — сечение струны. Преимуществом этой схемы является прак­ тически полная независимость характеристики от температуры при малых х. В современных конструкциях датчиков применяются также устройства с дополнительной следящей системой, поддерживающей постоянство суммы частот f 1 + / 2 изменением натяжения струн. Датчики такого типа могут иметь погрешность до ±(0,1 — 0,01) и менее.

Рис. 118. Принципиальные схемы дифференциальных струнных датчиков

По типу возбуждаемых колебаний в струнах различают два прин­ ципиально различных метода. В первом случае путем внезапного освобождения отклоненной от положения равновесия струны (или коротким импульсом) возбуждаются свободные колебания, которые затухают по закону

А — Л0е_6< sin (соct -f- ср),

где А 0 — начальная амплитуда; б — коэффициент затухания; сос — угловая частота свободных колебаний; ср — фаза, зависящая от способа возбуждения. Частота свободных колебаний

сос = У щ — б2,

308