2. Цель и задачи работы

Целью работы являются приобретение навыков тарирования и определения основных метрологических характеристик тензометрических измерительных систем.

В задачи работы входит построение тарировочных характеристик тензометрической системы, определение масштаба, ее линейной аппроксимации, а также оценки предела погрешности тарировки, предела основной погрешности рассматриваемой системы измерения, определение нелинейности тарировочной характеристики и обоснование целесообразности использования ее линейной аппроксимации с расчетом соответствующего предела основной погрешности измерения.

Дополнительными задачами работы, решаемыми по указанию преподавателя, являются определение цифровых погрешностей округления выходного сигнала системы измерения с уточнением предела основной погрешности измерения и оценка максимально возможной дополнительной погрешности измерения с расчетом предела погрешности измерений.

7.3. Описание установки и тензометрической системы измерения

Тарируемая тензометрическая система измерения является частью учебной установки «Силовое воздействие струи на преграду», предназначенной для изучения вопросов данного силового воздействия. Схема установки приведена на рис. 7.2. Свободная осесимметричная струя воды вытекает из сопла 1 в воздушное пространство и воздействует на преграду 2, представляющую собой осесимметричное тело, установленное соосно со струей. Преграда консольно установлена на пластине 3, другой конец которой жестко закреплен на опоре 4.

Струя воды оказывает определенное силовое воздействие на преграду 2. Данное воздействие передается на пластину 3, которая изгибается пропорционально моменту где расстояние от опоры 4 до центра приложения воздействия . Изгиб пластины первичным преобразователем, включенным в мостовую электрическую схему (см. рис. 7.3), переводится в сигнал электрического тока с последующим усилением и цифровой выходной величины Параллельно первичному преобразователю (тензорезистору 1 на рис. 7.3) тумблером «М» подключается резистор масштабирования 7, что имитирует воздействие определенного усилия с соответствующим выходным сигналом , называемым тарировочным. Он используется для определения по (7.1) приведенного значения выходного сигнала, которое более стабильно по сравнению с физическим значением . Обоснование этого приводится в нижеследующем примечании 5.

Примечание 5. Отметим, что в качестве первичного преобразователя может использоваться тензорезистор, наклеенный на пластину 3 и реагирующий на растяжение ее поверхностного слоя при изгибе путем изменения своего активного сопротивления электрическому току, или магнитоиндуктивный преобразователь, реагирующий на изгиб пластины путем изменения своего индуктивного сопротивления за счет уменьшения воздушного зазора в замкнутом магнитном контуре (между электромагнитной катушкой и пластиной, которая выполняется из магнитопроницаемого материала).

На разных установках лаборатории используются оба указанных преобразователя. Недостатком тензорезистора является то, что под воздействием, отраженной от преграды, струи воды оказывается изоляция его электрических цепей, которые проводятся по лицевой поверхности пластины 3 и деформируются вместе с нею. Данный недостаток отсутствует у магнитоиндуктивного преобразователя, катушка которого неподвижно закреплена с тыльной стороны пластины и залита эпоксидной смолой. Однако, магнитная проницаемость воздушного зазора между катушкой и пластиной зависит от влажности воздуха. Поэтому актуален вопрос, рассмотренный в п. 7.1.5, определения дополнительных погрешностей измерения, связанных с отличиями водо-воздушных режимов при тарировании и измерениях.

Далее рассмотрена электрическая схема по рис. 7.3 и вопрос масштабирования выходного сигнала I на примере использования тензорезистора в качестве первичного преобразователя.

Как отмечалось,

наклеены два проволочных тензометрических преобразователя (тензорезисторы) 5 и 6. Преобразователь 5 наклеен со стороны пластины, поверхностные слои которой растягиваются при изгибе. Соответственно удлиняются активные проволочные участки преобразователя. Его сопротивление r электрическому току возрастает на пропорциональную величину . При достаточно малом изгибе пластины с точностью до некоторой погрешности нелинейности реализуется следующая линейная зависимость:

, (1.6)

где - постоянный коэффициент, определяемый чувствительностью тензопреобразователя к растяжению, моментом сопротивления сечения n – n пластины к изгибу и модулем упругости ее материала.

Тензорезистор 6 не подвержен растяжению и свое сопротивление не меняет. Он предназначен для компенсации влияния на сопротивление тензорезистора 5 возможного изменения температуры.

Электрическая схема измерений приведена на рис. 1.2. Первичный преобразователь 1 и компенсационное сопротивление 2 образуют полумост (тензометрический датчик), подключенный к определенному каналу тензостанции марки «Топаз – 3». Тензостанция содержит второй полумост, состоящий из сопротивлений 3, 4 и образующий с первым стандартную мостовую схему (тензометрический мост), усилитель 5, включенный в диагональ тензометрического моста.

Другие вспомогательные элементы

Питание тензостанции осуществляется напряжением постоянного тока (11 – 15) В от источника питания «Е» марки «Гранат». Одна из диагоналей тензометрического моста запитывается через тензометрическую станцию напряжением постоянного тока В (источник на рис. 1.2). Другая диагональ моста подключена к усилителю 5. Выходной сигнал в виде величины постоянного тока I снимается с выхода усилителя и индицируется миллиамперметром 6.

Перед производством измерений при нулевом воздействии R тензометрический мост путем изменения сопротивления 3 балансируется так, что разность потенциалов между точками А и Б диагонали тензометрического моста (рис. 1.2) близка к нулю. При приложении усилия R сопротивление тензорезистора 1 изменяется на величину , и в диагонали тензомоста (между точками А и Б) возникает рассогласование потенциалов электрического тока .

При достаточно малом значении оправдана линейная зависимость

, (1.7)

где - коэффициент (при ).

В соответствии с (1.6) и (1.7), а также с учетом зависимости , где - коэффициент усиления сигнала на усилителе 5, справедлива зависимость

(1.8)

которую можно переписать в следующем виде:

(1.9)

Зависимость (1.9) определяет связь между выходным сигналом и входной измеряемой величиной . Для произведения измерений необходимо знать величину коэффициента , которая находится с помощью тарировки по известным значениям . Погрешность измерения, являющаяся основным показателем качества любой измерительной системы, зависит, в первую очередь, от отклонения в момент измерения истинного на данный момент значения коэффициента от его значения, полученного при тарировке, а также от погрешности индицирования выходного сигнала . Отклонение определяется отклонениями всех тех коэффициентов, а также величин , которые входят в зависимость (1.8). Особо может повлиять нестабильность величин , определяемых электрической частью схемы. С целью снижения этого влияния в схему измерения вводится элемент масштабирования, заключающийся в следующем.

Параллельно тензорезистору 1 через тумблер «М» подключен резистор 7. При включенном тумблере «М» (он выведен на переднюю панель тензостанции) сопротивление соответствующего измерительного плеча тензометрического моста падает на определенную величину . Согласно зависимости (1.7) в диагонали тензомоста возникает рассогласование с соответствующим выходным сигналом

. (1.10)

Разделив соотношение (1.8) на (1.10), получим

, (1.11)

что можно записать в следующем виде:

(1.12)

где – масштаб.

Как видим, в соотношении (1.7) вместо величин фигурирует значение , которое отличается значительно более высокой стабильностью и, соответственно, обеспечивает более высокую точность измерений. Кроме того, вместо выходного сигнала мы имеем отношение . Следовательно, систематическая мультипликативная составляющая погрешности индицирования сигнала , а она, как правило, превалирует над соответствующей аддитивной составляющей, будет скомпенсирована при делении на , а также не скажется на точности измерений (это дает возможность заменять индицирующий прибор без повторной тарировки и снижения класса точности измерительной системы, если новый прибор не имеет существенно более высокой случайной (стохастической) погрешности).

В случае, если перед измерением выходной сигнал отличен от нуля, соотношение (1.12) примет вид (1.3).

Возможно также применение датчиков перемещения, отражающих изгиб пластины 3 (рис. 1.1). В качестве такого датчика целесообразно использовать магнитно-индуктивный преобразователь, с подвижным сердечником, закрепленным на пластине, и неподвижной катушкой индуктивности. Преимущество такой схемы заключается в том, что на пластине отсутствует электропроводка, подверженная воздействию со стороны струи воды. Однако, есть и недостаток – изменение магнитной проницаемости воздушной среды в катушке под воздействием влаги.

На разных учебных установках «Силовое воздействие струи на преграду» используется как тензорезисторы, так и магнитно-индуктивные преобразователи. В обоих случаях при изгибе пластины меняется сопротивление преобразователя (активное или индуктивное, соответственно). Магнитно-индуктивный преобразователь включен в мостовую электрическую схему, которая запитывается от источника переменного тока. В остальном принципы действия измерительных систем в обоих случаях совпадают и все, приведенные выше, формулы и зависимости справедливы для этих случаев в равной степени.

Примечание. Вдоль пластины 2 (рис. 1.1), изгибающейся под действием момента , с центром в ее сечении n – n.