14.2. Средства для измерения сил и моментов

14.2.1. Общие сведения о динамометрах

В общем и специальном машино-, аппаратостроении, в горном деле, в строительстве, на транспорте задачи проектирования и создания новых машин и аппаратов, конструкций и сооружений связаны во многом с решением вопроса об их прочности и способности работать в условиях повышенных температур, давления и пр. Для транспортных экипажей, летательных аппаратов вопросы измерения силы тяги, моментов, развиваемых двигателями, имеют первостепенное значение, так как позволяют, с одной стороны, измерять основную функциональную характеристику экипажа или двигателя, во многом определяющую качество изделия, а с другой стороны, контролировать состояние двигателя или транспортного средства в целом, необходимость его ремонта и т. д.

Сложные условия эксплуатации конструкций и машин во многих случаях не позволяют решать вопросы прочности и надежности аналитически и приходится использовать экспериментальные методы исследования прочности, что непосредственно связано с измерением сил.

Необходимо отметить, что, кроме преднамеренного измерения сил и моментов сил, такие измерения приходится делать в громадном большинстве других приборов, так как очень многие современные приборы для измерения самых различных физических величин преобразуют измеряемую физическую величину в силу (при поступательном движении подвижной системы прибора) или в момент силы (при вращательном ее движении), пропорциональные входной величине, которые затем измеряются силоизмерительным механизмом. Результаты этих измерений выдаются на отсчетное устройство в виде показаний в единицах измеряемой физической величины.

В настоящее время имеется богатый арсенал средств измерения сил и моментов сил. Приборы, предназначенные для измерения сил без регистрации показаний, называются динамометрами, а с регистрацией — динамографами. Приборы для измерения моментов сил называются торсиометрами (иногда моментомерами), а приборы с регистрацией величины момента — торсиографами.

Принципы, на которых основаны методы измерения сил и моментов сил, аналогичны, поэтому в дальнейшем мы рассмотрим главным образом работу и устройство динамометров.

Динамометрическая аппаратура по принципу действия подразделяется на приборы: 1) с уравновешиванием измеряемой силы силой тяжести; 2) основанные на измерении деформаций или напряжений, вызываемых силой; 3) с преобразованием силы в давление и его измерением.

К первой группе относятся разного рода рычажные и маятниковые силоизмерители. У рычажных динамометров измеряемая сила уравновешивается через рычаги весом гирь. У маятниковых в дополнение к рычажным преобразователям имеется маятник с тяжелым грузом. Угол отклонения маятника от вертикали является мерой измеряемой силы. Несмотря на недостатки (большие габариты и массу, трудность регистрации показаний и др.), эти приборы имеют существенные достоинства: высокие точность. и чувствительность, стабильность характеристик при минимальном уходе, большой диапазон измерений; они не требуют постороннего источника энергии, имеют малую' температурную погрешность. Все эти свойства определили область их применения в качестве образцовых приборов и в аппаратуре для испытания механических свойств материалов.

Приборы второй группы имеют преобразователь, в котором входной величиной является сила, выходной - одна из характеристик преобразователя, меняющаяся пропорционально приложенной силе. Это может быть деформация упругого элемента (наиболее распространенный тип), выходное напряжение у пьезопреобразователя, магнитная проницаемость ферромагнитных тел у магнитоупругих преобразователей, частота механических колебаний у струнных преобразователей и т. п. В свою очередь приборы с измерением деформации упругого элемента можно подразделить по виду преобразователей, применяемых для измерения деформаций. Эти преобразователи могут быть механическими разного рода, тензорезисторными, потенциометрическими, индуктивными и т. п.

Наконец, приборы третьей группы имеют преобразователь силы в давление поршневого, мембранного, месдозного или сольфонного типа. Давление, создаваемое измеряемой силой, определяется при помощи манометров или же, в некоторых случаях, далее преобразуется в другую физическую величину (как, например, в манганиновых манометрах сопротивления), которая затем измеряется соответствующим прибором.