книги из ГПНТБ / Лихачев В.С. Испытания тракторов учеб. пособие

итемпературную компенсацию. На схеме рис. 30, г все четыре плеча рабочие (учетверенная чувствительность) при наличии термо­ компенсации.

На рис. 31 показан способ наклейки тензорезисторов на вал при измерении крутящего момента и схема включения их в мост

иполумост (при работе с тензоусилителем). Чтобы избежать воз­ действия на тензорезисторы изгибающего момента, и чтобы тензорезисторы воспринимали только деформации кручения вала, их располагают под углом 45° к образующей. Четыре рабочих тензорезистора наклеивают по окружности вала на расстоянии четверти окружности друг от друга так , чтобы диаметрально противопо-

Рис. 31. Схема расположения тензорезисторов при измерении крутящего момента:

а — на валу; б — в полном мосте; в — в полумосте

ложные тензорезисторы были под воздействием одноименной де­ формации. При необходимости включения нескольких высокоом­ ных тензорезисторов в параллель их наклеивают рядом.

Перед началом измерения должно быть проведено первона­ чальное уравновешивание моста—балансировка. В сбалансиро­ ванном мосте ток в измерительной диагонали равен нулю. Для этого должно быть соблюдено равенство (см. рис. 30 и 31)

Я 1 * 3 = *2*4, Т. е. * 1 * 3 -- *2*4 = 0.

Ток, который поступает в измерительную диагональ при раз­ балансе моста вследствие нарушения указанного равенства (при изменении сопротивлений в плечах моста), определяется в соот­ ветствии с законом Кирхгофа выражением

*1 * 3 * 2 * 4

Для равноплечего моста данная формула упрощается. Зная сопротивления в плечах моста, легко рассчитать по формуле ток, поступающий в измерительную диагональ при разабалансе моста,

57

т. е. при изменении сопротивления в его плечах на величину

торый наклеен тензорезистор или установлен индук­ тивный датчик.

Балансировку моста, работающего на постоянном токе, про­ изводят реохордом по схемам на рис. 32, а и б. Так как реохорд имеет сравнительно небольшое сопротивление, то в схеме на рис. 36, б последовательно с ним включены дополнительные со­ противления.

При работе на переменном токе измерительная "деформация вызывает изменение не только активного, но и реактивного сопро­ тивления датчиков. Поэтому"’“при балансировке моста перемен-

Рис. 32. Схемы балансировки моста и подачи тарировочного сигнала:

ного тока необходимо компенсировать как активную, так и ре­ активную составляющую сопротивления датчика. При этом из­ мерительный мост приходится уравновешивать как по амплитуде, так и по фазе.

В общем случае равновесие моста на переменном токе опре­

Уравнение (а) выражает равновесие моста по амплитуде, урав­ нение (б) — равновесие моста по фазе.

58

Кроме того, при работе на переменном токе необходимо ком­ пенсировать неуравновешенность емкостного сопротивления плеч

где хс — емкостное сопротивление в плече моста; С — распределенная емкость плеча.

Помимо изложенного, следует обращать внимание на тип дат­ чика и условия его работы в измерительном мосте. Например, при использовании в качестве датчика тензорезистора реактивной составляющей его сопротивления можно пренебречь по малости. При работе индуктивного датчика, наоборот, изменяется только реактивная составляющая его сопротивления. В симметричных мостовых схемах с дифференциальными индуктивными датчиками, а также в схемах, где полумост является составной частью транс­ форматора несущей частоты усилителя, балансировки моста по реактивной составляющей не требуется.

При балансировке моста переменного тока реактивная состав­ ляющая плеч моста компенсируется с помощью конденсатора и реохорда, включенных как показано на схеме рис. 32, в. Реже применяют переменный конденсатор. При балансировке моста по схеме на рис. 32, в производят попеременное приближение к рав­ новесию последовательной регулировкой реохордов R6 и R c.

Для проверки тензочувствительности и масштаба измеритель­ ного моста параллельно одному из плеч включают тарировочное сопротивление R r = (0,5-ь0,7) АR (рис. 32, г), что равноценно соответствующему изменению сопротивления датчика при из­ мерительном воздействии.

§ 13. ОСЦИЛЛОГРАФЫ

Для регистрации результатов измерения электрическими ме­ тодами при испытаниях тракторов применяют переносные магнито­ электрические светолучевые осциллографы, которые позволяют вести одновременную запись результатов измерений нескольких исследуемых процессов. Осциллограф включает в себя пять функ­ циональных устройств: гальванометр, преобразующий колебания электрического сигнала в колебания светового луча; оптическую систему для образования и передачи светового луча; механизм развертки; лентопротяжный механизм с кассетой для светочув­ ствительной бумаги (или кинопленки); устройство для отметки времени на осциллограмме.

На рис. 33 показана принципиальная схема светолучевого осциллографа.

В качестве измерительного механизма в осциллографах при­ меняют вибрационные гальванометры магнитоэлектрической си­ стемы, петлевые и рамочные. В петлевом гальванометре 4 между полюсами постоянного магнита помещена петля из проводника, на которую наклеено зеркальце площадью около 1 мм2. Петля гальванометра включается в измерительную диагональ моста.

59

При прохождении тока через петлю она вместе с зеркальцем вслед­ ствие взаимодействия тока и магнитного поля скручивается на угол, пропорциональный величине проходящего через нее тока. Вследствие малой массы вибратор гальванометра практически безынерционен, что дает возможность исследовать процессы с ча­ стотой колебаний в несколько тысяч герц.

В рамочном гальванометре между полюсами магнита помещена не петля, а измерительная рамка с несколькими витками провод­ ника, что значительно увеличивает чувствительность гальвано­ метра.

Вибратор гальванометра заключен в корпус, заполненный для успокоения колебаний маслом. В отверстие корпуса вмонтирована линза 3. Луч света от лампы 1 проходит через щелевое окно ее кожуха, через линзы конденсора 2 и через линзу 3 попадает на зеркальце гальванометра. Отразившись от зеркальца, луч через линзы 3 и 5 попадает на движущуюся фотоленту 6 и вычерчивает на ней линию, воспроизводящую динамику изменения измеряе­ мой величины. Скорость движения ленты можно изменять с по­ мощью коробки скоростей.

Отметчик времени состоит из двух дисков 12 а 13 с. радиаль­ ными щелевыми окнами, щелевой диафрагмы 14, лампы 15 и зер­ кальца 16. Диски 12 и 13 сидят на одном валу и приводятся во вращение электродвигателем. Количество окон на дисках не оди­ наковое и совпадают лишь часть окон. Изменяя установку диска 13

60

на валу, можно изменять количество совпадающих окон дисков. Может совпадать, например, одно, пять или десять окон. Соот­ ветственно линейный луч отметчика будет делать на осцилло­ грамме одну, пять или десять отметок за один оборот дисков. При частоте вращения дисков 10 об/с, это будет соответствовать отметкам времени 0,1; 0,02 и 0,01 с.

Часть светового луча, идущего от гальванометра, отсекается зеркальцем 7. Отражаясь от него, луч проходит через линзу 8 и попадает на вращающийся многогранный зеркальный барабан 9 механизма развертки. От барабана луч через призму 10 попадает на матовое стекло 11, на котором можно наблюдать регистрируе­ мый процесс. Скорость вращения зеркального барабана можно ре­ гулировать. Когда период передачи изображения от барабана совпадает с периодом исследуемого процесса, изображение на ма­ товом стекле будет казаться неподвижным.

Осциллограф имеет несколько гальванометров, что позволяет регистрировать одновременно несколько измеряемых величин. Ну­ левую линию можно записывать одним из гальванометров или

спомощью специального зеркальца.

Вбольшинстве осциллографов вибраторы гальванометров вы­

полнены в виде съемных вставок, размещенных между полюсами общего U-образного магнита.

В табл. 1 приведены основные технические данные осцилло­ графов, используемых в практике испытаний.

Масштаб осциллограммы по оси абсцисс зависит от скорости перемещения фотоленты и фиксируется отметчиком времени. Мас­ штаб по оси ординат выбирают в зависимости от чувствительности

* В том числе три гальванометра для вспомогательных отметок.

**Фотопленка.

***Возможно также питание переменным током 127 и 220 В.

61

гальванометра S r, которая является его основной характеристикой:

—мм/мА-м,

где Ah — отклонение светового луча в мм на длине 1 м; Аі — ток в мА, вызвавший это отклонение.

Так как в различных осциллографах расстояние от гальвано­ метра до фотоленты различно, то чувствительность гальванометров относят к длине луча в 1 м.

К осциллографу придают гальванометры различной чувстви­ тельности — от 1 до 1000 мм/мА-м и выше. Другой важной харак­ теристикой осциллографических гальванометров является частота собственных колебаний. Она колеблется от 20 до 7000 Гц. Чем выше чувствительность гальванометра, тем меньше его частота собственных колебаний.

Чтобы измерять динамический процесс с минимальными дина­ мическими погрешностями, необходимо, чтобы о с н о в н а я ч а ­ с т о т а исследуемого процесса была в 5— 10 раз меньше частоты собственных колебаний гальванометра (это же правило относится к частоте собственных колебаний упругого чувствительного эле­

В табл. 2 приведена техническая характеристика гальвано­ метров наиболее распространенного осциллографа Н-700 (они же для Н-104). Гальванометры тензометрического осциллографа ОТ-24, предназначенного для безусилительного тензометрирования низкочастотных процессов, имеют весьма низкую частоту собственных колебаний — от 25 до 620 Гц. В то же время чувст­ вительность этих гальванометров в 30—40 раз больше чувстви­ тельности гальванометров осциллографа Н-700.

На рис. 34 показан осциллограф Н-700, а на рис. 35—образец осциллограммы, записанной этим осциллографом. Тяговое усилие,

62

крутящие моменты и нагрузка на переднюю ось трактора запи­ саны с применением проволочных тензорезисторов.

В осциллографах используют рулонную фотобумагу чувстви­ тельностью 600 + 1000 единиц, шириной 100, 120 и 200 мм, в ос­ циллографе Н-102 (МПО-2) используется фотопленка 36 мм. В ос­ циллографах новых моделей применяют ртутные лампы ДРШ-100-2 или НВО-107 сверхвысокой яркости. С помощью этих ламп можно производить запись на ультрафиолетовую бумагу УФ, не требую­ щую химического проявления.

Повышение чувствительности гальванометров связано с умень­ шением их частоты собственных колебаний и снижением степени демпфирования (см. рис. 16). Уже при частоте сигнала, равной 0,Зсос, на основной сигнал накладываются заметные недемпфиро­ ванные колебания гальванометра. Запись получается «размытой». В то же время, при исследовании колебательных процессов часто высшие гармоники этих процессов не несут существенной инфор­ мации, а поэтому могут быть отфильтрованы. Колебательность выпрямленного сигнала тахогенератора, различные относительно высокочастотные помехи, вызывающие слабозатухающие высоко­ частотные колебания вибратора гальванометра, также способ­ ствуют «размытой» записи.

Для устранения этого дефекта записи производят фильтрацию нежелательных высоких гармоник регистрируемого сигнала. Про­ стейшим способом сглаживания является шунтирование гальвано­ метра конденсатором. В ряде случаев приходится использовать сглаживающие Г-образные фильтры RC низких частот. Парал­ лельно включенная емкость пропускает высокие частоты сигнала

иоказывает повышенное сопротивление низким частотам. Подбирать емкости и сопротивления фильтра следует осмотри­

тельно, чтобы не отфильтровать существенные гармоники и не

63

внести амплитудную и фазовую погрешности (сопротивление фильтра увеличивает постоянную времени цепи). Кроме того, из­ лишне большая емкость может наложить на запись собственные низкочастотные автоколебания.

Конденсатор включают параллельно гальванометру без доба­ вочного сопротивления, когда между источником э. д. с. (ближай­ шим к гальванометру активным элементом измерительной цепи)

Рис. 35. Образец осциллограммы, записанной осциллографом Н-700 при динамометрировании трактора «Беларусь»:

1 — запись номера осциллограммы; 2 — частота вращения левого колеса; 3 — крутя­ щий момент на левом колесе; 4 — нагрузка на переднюю ось; 5 — крутящий момент на правом колесе; 6 — тяговое усилие; 7 — частота вращения правого колеса; 8 — отметки Пути; 9 — отметка нуля для кривой 3; 10 и 11 — отметки времени

и гальванометром имеется значительное активное (R^) или индук­ тивное (ю£ц) сопротивление, т. е.

= ~j/~Rn -ф- ( ö L„) ф> Rr,

где R r —• сопротивление гальванометра осциллографа (рис. 36, а). В этом случае переменная составляющая сигнала разветвляется, и часть ее идет через емкость, минуя гальванометр.

При малых величинах собственного сопротивления измери­ тельной цепи /?ц, озЬц ток на зажимах гальванометра не зависит от шунтирующей емкости, и следует включать полный Г-образный фильтр RC (рис. 36, б).

Сопротивление R фильтра выбирают из допустимого падения напряжения в цепи гальванометра; иными словами, величина R определяется максимально допустимым током гальванометра.

64

Для достаточного подавления высших гармоник регистрируе­ мого сигнала необходимо, чтобы емкостное (реактивное) сопро­ тивление конденсатора хс было примерно в 10 раз меньше сопро­

Рис. 36. Схемы подавления высших гармоник регистрируе­ мого процесса:

а — ш у нтирую щ ей емкостью; б — Г-образным фильтром R C

Емкость конденсатора находят из выражения

10

ОЗрРр

где сор —- верхний предел рабочего диапазона частот гальвано­ метра (иногда — нижний предел подавляемых частот).

При сигналах большой мощности (более 15 мА), в частности для сглаживания выпрямленного сигнала тахогенератора, целе­ сообразно применять фильтр LC низкой частоты, Г-образный или П-образный (рис. 37).

Рис. 37. Схема включения фильтра L C в измеритель­ ную цепь

Для регистрации величин, результаты измерения которых будут сравниваться, складываться или подвергаться функциональным преобразованиям, следует подбирать гальванометры одинаковой чувствительности; некоторое различие в их чувствительности можно устранить шунтированием более чувствительных гальвано­ метров активным сопротивлением.

§ 14. МАГНИТОГРАФЫ

Магнитографом называют аппаратуру для записи измеритель­ ной информации на магнитную ленту. Эта запись затем воспроиз­ водится для переработки измерительной информации в электрон­ ном анализаторе или в аналоговых вычислительных машинах, а также для печати на перфоленте с целью обработки информации на ЭЦВМ. Магнитографы упрощают сравнительно сложную тех­

ническую и математическую обработку результатов регистрации быстропротекающих случайных процессов. Для регистрации де­ терминированных процессов применение магнитографов нецеле­ сообразно в связи с тем, что они вносят значительно более высокие аппаратурные погрешности, чем осциллографы. Кроме того, осцил­ лографическая аппаратура дешевле. В КубНИИТИМ разработана и эксплуатируется многоканальная полевая тензометрическая ла­ боратория, в которой измерительно-информационная система вы­ дает результаты измерений по 12 аналоговым и 10 дискретным ка­ налам в записи на магнитной ленте, после чего они через вводное устройство вводятся для обработки в ЭЦВМ «НАИРИ». Возмож­ ность записи результатов измерений на магнитную ленту с по­ следующим вводом для обработки в ЭЦВМ «Минск-22» предусмо­ трена также в полевой тензолаборатории «Чек-2» ЦМИС-ВНИИФТРИ (см. § 16).

§ 15. ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ

Выбор усилителя определяется частотой регистрируемых про­ цессов, их числом (необходимым числом каналов усиления), тре­ буемым коэффициентом усиления, а также размерами усилителя, его весом и потребляемой мощностью. В измерительной технике используют усилители постоянного и переменного тока.

В практике испытаний применяют универсальные тензометри­ ческие усилители переменного тока, работающие на несущей ча­ стоте. При работе с этими усилителями исключается влияние рас­ пределенных емкостей и внешних магнитных полей, поэтому нет необходимости экранировать провода. Если схема усилителя вклю­ чает в себя полумост, то отпадает необходимость в балансировке моста по реактивной составляющей сопротивления.

Хорошие характеристики имеют широко распространенный че­ тырехканальный усилитель ТА-5 и восьмиканальный усилитель

8АНЧ-7М.

На рис. 38 показана функциональная схема усилителя 8АНЧ-7М (один канал). В прямоугольниках блоков изображена форма сигнала, снимаемого с выхода данного блока. Из условий размера схемы показано лишь небольшое усиление (примерно в 1,5 раза).

Ламповый генератор Г несущей частоты, питаемый постоян­ ным напряжением 270 В от блока питания БП, вырабатывает пере­ менный ток с частотой 3500 Гц (несущая частота НЧ). Этот ток несущей частоты, будучи усилен в усилителе мощности УМ, по­ дается через трансформатор на полумост ПМ, который с датчи­ ком Д образует измерительный мост. Мост находится под напря­ жением несущей частоты. Когда вследствие деформации датчика создается разбаланс моста, в его диагональ поступает напря­ жение несущей частоты. Амплитуда этого напряжения изменяется пропорционально изменению сопротивления датчика с частотой,

66