Tenòmetres: transductors de mesura tensomètrics

Sensor d'extensió: un transductor resistent paramètric que converteix la deformació d'un cos rígid causada per una tensió mecànica aplicada a aquest en un senyal elèctric.

Un manòmetre resistiu és una base amb un element sensible connectat. El principi de mesura de la deformació mitjançant un extensímetre és que la resistència de l'extensímetre canvia durant la deformació. L'efecte del canvi de resistència d'un conductor metàl·lic sota l'acció de la compressió total (pressió hidrostàtica) va ser descobert el 1856 per Lord Kelvin i el 1881 per OD Hvolson.

En la seva forma moderna, un extensímetre representa estructuralment una resistència de deformació, l'element sensible de la qual està fet d'un material sensible a la tensió (filferro, làmina, etc.), fixat amb un aglutinant (cola, ciment) a la part investigada. (Figura 1). Per connectar l'element sensor al circuit elèctric, l'extensímetre té cables.Alguns extensometres dissenyen per facilitar la instal·lació, tenen un coixinet situat entre l'element sensible i la peça a prova, així com un element protector situat per sobre de l'element sensible.

Figura 1 Esquema de l'extensomètrica: 1- element sensible; 2- aglutinant; 3- substrat; 4- detall investigat; 5- element protector; 6- bloc per soldar (soldadura); Cablejat de 7 fils

Amb tota la varietat de tasques resoltes amb transductors extensomètrics, es poden distingir dues àrees principals del seu ús:

— estudi de les propietats físiques dels materials, deformacions i tensions en peces i estructures.

— L'ús d'extensometres per mesurar valors mecànics que es converteixen en deformació d'un element elàstic.

El primer cas es caracteritza per un nombre important de punts de mesura de tensió, amplis rangs de canvis en els paràmetres ambientals, així com la impossibilitat de calibrar els canals de mesura. En aquest cas, l'error de mesura és del 2-10%.

En el segon cas, els sensors es calibran segons el valor mesurat i els errors de mesura estan en el rang de 0,5-0,05%.

L'exemple més cridaner de l'ús de les extensometres és la balança. Les bàscules de la majoria de fabricants russos i estrangers estan equipades amb extensometres. Les bàscules de cèl·lules de càrrega s'utilitzen en diverses indústries: metal·lúrgia ferrosa i no ferrosa, química, construcció, alimentació i altres indústries.

El principi de funcionament de les bàscules electròniques es redueix a mesurar la força de gravetat que actua sobre la cèl·lula de càrrega convertint els canvis resultants, com ara la deformació, en un senyal elèctric de sortida proporcional.

L'ampli ús de resistències tensores s'explica per una sèrie dels seus avantatges:

- petita mida i pes;

— baixa inèrcia, que permet utilitzar extensometres tant per a mesures estàtiques com dinàmiques;

— tenen una característica lineal;

— permet fer mesuraments a distància i en molts punts;

— El mètode de la seva instal·lació a la peça examinada no requereix dispositius complexos i no distorsiona el camp de deformació de la peça examinada.

I el seu inconvenient, que és la sensibilitat a la temperatura, es pot compensar en la majoria dels casos.

Tipus de convertidors i les seves característiques de disseny

El funcionament dels extensometres es basa en el fenomen de l'efecte deformació, que consisteix en un canvi en la resistència activa dels cables durant la seva deformació mecànica. La característica de l'efecte de deformació del material és el coeficient de sensibilitat a la deformació relativa K, definit com la relació entre el canvi de resistència i el canvi de longitud del conductor:

k = er / el

on er = dr / r — el canvi relatiu de la resistència del conductor; el = dl / l — el canvi relatiu en la longitud del cable.

Durant la deformació dels cossos sòlids, el canvi en la seva longitud s'associa amb un canvi de volum, i les seves propietats, en particular, el valor de la resistència, també canvien. Per tant, el valor del coeficient de sensibilitat en el cas general s'ha d'expressar com

K = (1 + 2μ) + m

Aquí, la quantitat (1 + 2μ) caracteritza el canvi de resistència associat amb un canvi en les dimensions geomètriques (longitud i secció transversal) del conductor, i - un canvi en la resistència del material associat a un canvi en el seu físic. propietats.

Si s'utilitzen materials semiconductors en la producció del tensor, la sensibilitat està determinada principalment pel canvi de les propietats del material de la xarxa durant la seva deformació i K »m i pot variar per a diferents materials de 40 a 200.

Tots els convertidors existents es poden dividir en tres tipus principals:

- filferro;

- làmina;

- una pel · lícula.

Els telèmetres de filferro s'utilitzen en la tècnica de mesurar magnituds no elèctriques en dues direccions.

La primera direcció és l'ús de l'efecte de deformació d'un conductor en estat de compressió de volum, quan el valor d'entrada natural del transductor és la pressió del gas o líquid circumdant. En aquest cas, el transductor és una bobina de filferro (generalment manganina) col·locada a la zona de la pressió mesurada (líquid o gas). El valor de sortida del convertidor és el canvi de la seva resistència activa.

La segona direcció és utilitzar l'efecte de tensió del cable de tensió fet d'un material sensible a la tensió. En aquest cas, els sensors de tensió s'utilitzen en forma de convertidors "lliures" i en forma d'enganxats.

Els extensímetres "lliures" es fabriquen en forma d'un o una fila de cables, fixats als extrems entre les parts mòbils i immòbils i, per regla general, fan simultàniament el paper d'element elàstic. El valor d'entrada natural d'aquests transductors és molt poc moviment de la part mòbil.

A la figura 2 es mostra el dispositiu del tipus més comú d'extensometres de filferro unit. Un cable prim amb un diàmetre de 0,02-0,05 mm, col·locat en ziga-zaga, s'enganxa a una tira de paper prim o làmina de laca. Els cables de coure amb plom es connecten als extrems del cable. La part superior del convertidor està coberta amb una capa de vernís i, de vegades, segellada amb paper o feltre.

El transductor sol instal·lar-se de manera que el seu costat més llarg estigui orientat en la direcció de la força mesurada. Aquest transductor, enganxat a la mostra de prova, percep les deformacions de la seva capa superficial. Així, el valor d'entrada natural del transductor enganxat és la deformació de la capa superficial de la peça a la qual està enganxat, i la sortida és el canvi de resistència del transductor proporcional a aquesta deformació. En general, els sensors enganxats s'utilitzen molt més sovint que els sense enganxar.

Figura 2 - cable d'extensió: 1 - cable d'extensió; 2- cola o ciment; 3- suport de cel·lofana o paper; Cables de 4 fils

La base de mesura del transductor és la longitud de la part ocupada pel cable. Els transductors més utilitzats són bases de 5-20 mm amb una resistència de 30-500 ohms.

A més del disseny de mesura de tensió de contorn més comú, n'hi ha d'altres. Si cal reduir la base de mesura del transductor (a 3-1 mm), es fa pel mètode de bobinat, que consisteix a enrotllar una espiral de filferro sensible a la càrrega sobre un mandril de secció transversal circular en un tub de paper prim. A continuació, aquest tub s'enganxa, s'elimina del mandril, s'aplana i els cables s'uneixen als extrems del cable.

Quan cal obtenir un gran corrent d'un circuit amb un termoconvertidor, sovint utilitzen extensímetres "potents" amb un cable enrotllat... Consten d'un gran nombre (fins a 30 — 50) cables connectats en paral·lel, difereixen en grans mides (longitud de la base 150 - 200 mm) i permeten un augment significatiu del corrent que passa pel convertidor (figura 3).

Dibuix 3- Tenòmetre amb baixa resistència ("potent"): 1 — cable d'extensió; 2- cola o ciment; 3- suport de cel·lofana o paper; cable de 4 pins

Les sondes de filferro tenen una petita àrea de contacte amb la mostra (substrat), que redueix els corrents de fuga a altes temperatures i condueix a una tensió d'aïllament més alta entre l'element sensible i la mostra.

Les cèl·lules de càrrega de làmina són la versió més popular de les cèl·lules de càrrega adhesives. Els transductors de làmina són una tira de làmina de 4-12 micres de gruix, sobre la qual es selecciona una part del metall gravant-se de manera que la resta formi la reixeta de plom que es mostra a la figura 4.

En la producció d'aquesta quadrícula, es pot preveure qualsevol patró de la quadrícula, cosa que és un avantatge important dels extensímetres de làmina. A la imatge 4, a mostra l'aspecte d'un transductor de làmina dissenyat per mesurar estats de tensió lineal, a la fig. 4, c — un transductor de làmina enganxat a l'eix per mesurar els parells, i a la fig. 4, b — enganxat a la membrana.

Dibuix 4- Convertidors de làmina: 1- bucles d'ajust; 2- corbes sensibles a les forces de tracció de la membrana; 3- rotacions sensibles a les forces de compressió del diafragma

Un avantatge seriós dels convertidors de làmina és la possibilitat d'augmentar la secció transversal dels extrems del convertidor; La soldadura (o soldadura) de cables es pot fer en aquest cas de manera molt més fiable que amb convertidors de filferro.

Els deformadors de làmines, en comparació amb els de filferro, tenen una proporció més alta de la superfície de l'element sensible a l'àrea de la secció transversal (sensibilitat) i són més estables a temperatures crítiques i càrregues sostingudes. La gran superfície i la petita secció transversal també garanteixen un bon contacte de temperatura entre el sensor i la mostra, la qual cosa redueix l'autoescalfament del sensor.

Per a la producció d'extensometres de làmines, s'utilitzen els mateixos metalls que els telenòmetres (constantan, nicrom, aliatge de níquel-ferro, etc.), i també s'utilitzen altres materials, per exemple, l'aliatge de titani-alumini 48T-2, que mesura deformacions de fins a un 12 %, així com una sèrie de materials semiconductors.

Tensors de pel·lícules

En els darrers anys, ha sorgit un altre mètode per a la producció massiva de soques de resistència unides, que consisteix en la sublimació al buit d'un material sensible a la tensió i la seva posterior condensació sobre un substrat ruixat directament sobre la peça de treball. Aquests transductors s'anomenen transductors de pel·lícula.El petit gruix d'aquests extensímetres (15-30 micres) ofereix un avantatge significatiu a l'hora de mesurar deformacions en mode dinàmic a altes temperatures, on les mesures de tensió són una àrea especialitzada d'investigació.

S'han fabricat diversos extensometres de pel·lícula basats en bismut, titani, silici o germani en forma d'una sola cinta conductora (figura 5).Aquests transductors no tenen l'inconvenient de reduir la sensibilitat relativa del transductor en comparació amb la sensibilitat del material del qual està fet el transductor.

Figura 5- Pel·lícula extensomètrica: 1- pel·lícula extensomètrica; 2- làmina de laca; cable de 3 pins

El coeficient d'extensió d'un transductor basat en pel·lícula metàl·lica és de 2-4 i la seva resistència varia de 100 a 1000 ohms. Els transductors fets a base de pel·lícula semiconductora tenen un coeficient de l'ordre de 50-200 i, per tant, són més sensibles a la tensió aplicada. En aquest cas, no cal utilitzar circuits amplificadors, ja que la tensió de sortida del pont de resistència de deformació semiconductora és d'aproximadament 1 V.

Malauradament, la resistència d'un convertidor de semiconductor varia amb la tensió aplicada i és essencialment no lineal en tot el rang de tensió, i també depèn molt de la temperatura. Així, tot i que es requereix un amplificador quan es treballa amb un deformador de pel·lícula metàl·lica, la linealitat és molt alta i l'efecte de la temperatura es pot compensar fàcilment.