Файл: Бошняк, Л. Л. Измерения при теплотехнических исследованиях.pdf

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

(где ©о — собственная частота струны) воспринимается каким-либо электрическим приемником и подается на регистратор. Во втором случае струна с последующими элементами датчика составляет автоколебательную систему, непрерывно генерирующую колебания частотой ©0. Как известно, автоколебания могут существовать в зам­ кнутых системах, у которых усиление по контуру превышает еди­ ницу, а суммарный сдвиг по фазе равен нулю или целому числу перио­ дов. В струнных датчиках требуемое усиление обеспечивается элек­ тронным усилителем, вносящим фазовый сдвиг, близкий к нулю или к 180°. В качестве возбудителей и приемников колебаний струны

Рис. 119. Системы возбуждения и регистрации колебаний струн: а — электромагнитная; б — магнитоэлектрическая

чаще всего применяются электромагнитные или магнитоэлектриче­ ские преобразователи (рис. 119). Электромагниты используются как для работы по запросу (один электромагнит для подачи возбуждаю­ щего импульса и для приема затухающих свободных колебаний),

только в режиме автоколебаний. Подробный анализ этих и других, реже встречающихся систем имеется в монографии [92].

Уравнение (Х.З) описывает статическую характеристику идеаль­ ного струнного преобразователя. Реальные преобразователи имеют характеристики, отличающиеся от (Х.З) из-за особенностей конфи­ гурации поперечного сечения струны, способов заделки ее концов, деформации и изменения характеристик материала во время измере­ ний. При разработке и исследовании свойств струнных преобразо­ вателей большие удобства представляет использование обобщенных статических характеристик в критериальной форме. Применяя ме­ тоды анализа размерностей к связи параметров, характеризующих действие струнного преобразователя

Ф (/, F, р, £ , ! , . . . ) = 0,

нетрудно установить, что число критериев подобия, описывающих

309