Измерение моментов / DINAMOMETR

12.2. Выбор динамометров

 

При выборе того или иного динамометра наряду с вопросами, связанными с условиями его применения и принципом измерения, большое значение имеет точность измерения. При этом многие потребители предъявляют требования повышенной точности. Однако, руководствуясь экономическими соображениями, следует считать: «Настолько точно, насколько это необходимо, но не настолько точно, насколько это возможно».

Для того чтобы определить точность, которую может обеспечить какой-либо динамометр, следует выявить факторы влияющие на точность, и определить степень их влияния на результат измерения.

 

12.2.1. Электрические тензорезисторные динамометры. Среди динамометров наибольшее значение, в том числе в качестве датчиков веса, имеют электрические динамометры, а именно тензорезисторные динамометры. Диапазон измерения этих динамометров необычайно широк – имеются динамометры на номинальные силы от 5 Н до более чем 10 МН. Решающим фактором, однако, является обеспечиваемая ими высокая точность измерения. В зависимости от затрат, уровня техники и производственных возможностей погрешность может быть снижена до величины, 0,03 % и даже 0,01 %.

Конструктивное исполнение, основные типы. В простейшем виде упругий чувствительный элемент динамометра представляет собой стержень, нагруженный вдоль оси. Чувствительные элементы этого типа используют для измерений в диапазоне от 10 кН до 5 МН. При нагружении стержень сжимается, причем в соответствии с коэффициентом Пуассона одновременно увеличивается его диаметр. Тензорезисторы, наклеенные на стержень в области однородного силового поля, включают в схему моста Уитстона так, что в двух противоположных его плечах оказываются тензорезисторы, решетки которых направлены вдоль оси стержня или перпендикулярно ей.

Кроме тензорезисторов, в схему моста Уитстона входят дополнительные схемные элементы, служащие для компенсации различных зависящих от температуры эффектов, таких, например, как нестабильность нуля, изменение модуля упругости и теплового расширения материала чувствительного элемента, изменения чувствительности тензорезистора, а также линеаризации характеристики динамометра.

Выходное напряжение пропорционально относительной деформации, а последняя, в соответствии с законом Гука, пропорциональна нагрузке стержня.

Для расширения пределов измерений до 1 – 20 МН в целях лучшего распределения напряжений упругий элемент часто выполняют в виде трубы, и тензорезисторы наклеивают на его внутреннюю и наружную поверхности.

На рис.12.1 представлены некоторые типы упругих элементов для тензорезисторных динамометров.

 

Для измерения сил в меньшем диапазоне (примерно до 5 Н) и увеличения показания применяют чувствительные элементы, в которых используются не продольные деформации, а деформации изгиба. Еще одной возможностью измерения сил является использование деформаций, обусловленных напряжениями сдвига. В этом случае применяют консольные торсионные чувствительные элементы в виде плоского стержня с острыми ребрами, в которых при помощи тензорезисторов измеряют деформации, возникающие под углами + 45 и – 45⁰ к плоскости сдвига под действием измеряемой силы, вызывающей закручивание стержня. Такой метод измерения позволяет использовать очень тонкие чувствительные элементы. Хорошие результаты измерений показывают многостержневые чувствительные элементы, работающие на срез. Радиальное расположение стержней позволяет создать маленькие розеточного типа динамометры для измерения нескольких сил в общей точке. Располагая их вдоль противоположных граней платформы, можно измерять распределение сил, действующих на плоскость.

12.2.2. Индуктивные динамометры. Индуктивные динамометры имеют другие по сравнению с тензорезисторными динамометрами области применения, которые соответствуют конструкции и типичным характеристикам этих динамометров.

Конструктивное исполнение и основные типы. При помощи индуктивных динамометров (рис.12.2) измеряют изменение расстояния между двумя точками упругого элемента под действием на него силы. Измерительным элементом служит индуктивный датчик перемещения. Для уменьшения несимметричного воздействия силы чувствительный элемент выполняется вращательно-симметричным. Для очень малых сил применимы простые или двойные балки, работающие на изгиб.

На схеме динамометра обозначены: 1, 2 – упругие элементы, 3 – дифференциальный индуктивный датчик.

 

12.2.3. Пьезоэлектрические динамометры. Пьезоэлектрические динамометры применяют для измерения динамических и квазистатических сил; они непригодны для измерения статических сил. Чувствительными элементами в них являются пластинки из пьезокварца. При нагружении на их поверхностях образуется пропорциональный нагрузке электрический заряд. В зависимости от положения плоскостей разреза относительно осей кристаллов пластинки реагируют на силы сжатия или сдвига. Усилитель с большим входным сопротивлением, подключенный к чувствительному элементу, преобразует заряд в соответствующее электрическое напряжение.

Кварцевые пластинки имеют очень высокую механическую прочность, линейную характеристику и малую температурную зависимость, а также высокое удельное электрическое сопротивление, так что в целом обладают очень хорошими метрологическими свойствами. Так как электрический заряд возникает в момент приложения сил, то пьезокристаллические динамометры особенно удобны для измерения очень быстро изменяющихся и ударных нагрузок, к тому же при повышенных температурах.

Конструктивное исполнение и основные типы. На рис.12.3 показан разрез пьезоэлектрического динамометра. В корпусе (2) между двумя стальными кольцами (1) размещены по кольцу кварцевые пластинки (3); между ними находится электрод (4) для снятия заряда. В зависимости от мощности динамометра чувствительный элемент может быть выполнен в виде одного кварцевого кольца или, как показано на рис.12.3, изготовлен из некоторого числа кварцевых пластинок, зачеканеных в изолирующую массу. Можно применить несколько слоев из наложенных друг на друга кварцевых пластинок с различно ориентированными поверхностями среза. Таким образом можно получить двух- или трехэлементные динамометры, например для измерения сил сжатия и сдвига (двух составляющих). На рис.12.3 показано расположение реагирующих на сдвиг кварцевых пластинок, позволяющее измерять крутящие моменты. Тангенциальные силы передаются путем трения.

 

12.2.4. Струнные динамометры. В струнных динамометрах применяют струнный тензометр, описанный ранее (10.1).

Конструктивное исполнение и основные типы. Ферромагнитная струна расположена вдоль оси упругого полого цилиндра между двумя связанными с ними плоскостями, на которых расположены точки крепления концов струны. При приложении к цилиндру нагрузки, направленной вдоль его оси, изменяется расстояние между двумя упомянутыми выше плоскостями, а вместе с этим меняется и частота колебаний натянутой струны. Частота является мерой нагрузки и может быть измерена известными способами.

 

12.2.5. Механические динамометры. Механические динамометры в основном используют в следующих двух областях:

а) в контрольно-испытательной аппаратуре: в частности, для проверки испытательных машин и защитных устройств на прессах (здесь они все больше заменяются тензорезисторными динамометрами);

б) в промышленных установках для выявления нагрузочной способности рабочих машин и т.п.

Они применимы только для измерения статических сил.

Конструктивное исполнение и основные типы. Механические динамометры состоят из двух основных частей – чувствительного элемента, деформирующегося под действием измеряемой силы, и элемента, измеряющего деформацию чувствительного элемента. Чувствительные элементы из упругого материала преобразуют подлежащую измерению силу в деформацию, величина которой составляет 0,2 – 2 мм. Эта деформация преобразуется измерительным элементом в показания. В зависимости от номинальной силы чувствительные элементы выполняют в виде кольца или скобы, а для более широкого диапазона сил – в виде стержня или полого кольца. Кольца и скобы используют для измерения номинальных сил в пределах от 200Н до 10 Мн. Нижний предел для стержней, с помощью которых измеряют растягивающие силы, составляет 60 кН, а сжимающие силы 600 кН. Для измерения малых сил существует множество вариантов, например стержни с продольной прорезью, деформация которых под действием силы измеряется стрелочным индикатором.

На рис. 12.4 представлена конструктивная схема динамометра, использующегося, например, для измерения силы, развиваемой винтовым зажимом.

В представленной на рис.12.4 конструкции обозначены: 1,2 – подвижная и неподвижная части динамометра; 3 – упругий элемент; 4 – упорный подшипник; 5 – центрирующая втулка; 6 – стопорное кольцо; 7, 9 – кронштейны; 8 – индикатор.

 

12.2.6. Гидравлические динамометры. Принцип работы гидравлических динамометров позволяет приспособить процесс измерения к конкретным условиям применения. Так как на жидкость, находящуюся в статическом состоянии, действуют только силы, нормальные к ее поверхности, и гидравлические жидкости практически несжимаемы, то можно конструктивно оптимально распределить функции восприятия измеряемой силы жидкостью, находящейся в динамометре, и измерения ее давления (как меры приложенной силы). Поэтому гидравлические динамометры допускают широкое их применение в различных областях и в разнообразных сочетаниях для измерения и регулирования сил.

Конструктивное исполнение и основные типы. Гидравлическая система измерения сил включает воспринимающее устройство с полностью замкнутой камерой и показывающий прибор (рис.12.5.).

На схеме обозначены: 1 – неподвижный корпус – цилиндр, 2 – подвижная часть динамометра (поршень), 3 – трубопровод, 4 манометр.

Динамометр выполнен в виде массивного круглого или кольцеобразного полого тела, заполненного жидкостью и закрытого поршнем, на который действует измеряемая сила. Эта сила преобразуется в пропорциональное ей давление жидкости. При преобразовании силы в давление активная поверхность поршня используется полностью. Размер этой поверхности определяет чувствительность. Поэтому решающее значение для класса точности имеет конструктивное выполнение перехода между полым телом и поршнем, в том числе, необходимое уплотнение между ними.