Весовое устройство

 

Гидравлический  силоизмеритель (рисунок 3) содержит корпус 1, поршень 2, выполненный в  виде  жесткого центра, и мембрану 3, образующие замкнутую полость 4, заполненную жидкостью и связанную с измерителем давления, например грузопоршневым манометром.

Мембрана 3 состоит  из эластичного слоя и армирующих нитей, размещенных на наружной поверхности мембраны. Между армирующими нитями расстояние выбирается минимальным, исходя из условия размещения нитей вплотную на внешнем контуре мембраны. Сечение нитей выбирают в соответствии с измеряемой нагрузкой и соответствующим ей гидростатическим давлением жидкости в полости 4.

В зависимости  от сечения нитей и способа  изготовления мембраны концы нитей  закрепляют с помощью плоской прокладки, фигурной обжимки или закладного кольца, прижимаемых к корпусу 1 и поршню 2 прокладками 6 и 7 при помощи болтов 10. Прокладка и обжимка изготовлена из материала более мягкого, чем материал армирующих нитей. Уплотнения полости 4 достигают одновременным прижатием эластичного слоя к торцовым поверхностям корпуса 1 и поршня 2.

Рисунок 3 - гидравлический силоизмеритель

Поршень 2 снабжен  направляющими, обеспечивающими прямолинейность его движения.

Гидравлический  силоизмеритель работает следующим образом. При воздействии на поршень измеряемой силы Р в полость 4 создается пропорциональное силе давление, измеряемое манометром. Происходит перемещение поршня за счет частичной сжимаемости жидкости  и отбора жидкости манометром.  При этом мембрана 3 перекатывается по цилиндрическим направляющим поверхностям 8 и 9 элементов 6 и 7, не изменяя форму свободной части и эффективную площадь. Мембрана 3 контактирует с поверхностями 8 и 9 своими армирующими нитями без относительного скольжения и сдвига последних и не вызывает гистерезисной  погрешности, а растягивающие усилия передаются на корпус и поршень непосредственно через армирующие нити.

Размещение  армирующих нитей на поверхности  мембраны и закрепление ее за выступающие  концы нитей позволяет передать растягивающую нагрузку и распорное усилие от давления жидкости через армирующие нити, не включая в цепь передачи усилий эластичный слой мембраны и, благодаря этому, повысить допустимое давление и уменьшить гистерезисную погрешность.

Кроме этого, увеличивается плотность размещения армирующих нитей по сравнению с размещением их внутри эластичного слоя, что также способствует повышению допустимого давления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2 Технические характеристики  весового устройства

 

При использовании тензорезисторов, номинальные сопротивления которых укладываются в диапазон номинальных сопротивлений, гарантируются все паспортные характеристики преобразователей и приборов. Нижний предел сопротивления тензорезисторов ограничивается внутренним сопротивлением (мощностью) источника питания моста и мощностью, рассеиваемой на тензорезисторах при данном напряжении питания. Верхний предел сопротивления ограничивается в основном помехоустойчивостью измерений данными средствами. При наличии на входе тензометрического преобразователя или прибора резонансного входного трансформатора отклонение от рекомендуемых сопротивлений тензорезисторов (особенно в сторону уменьшения) приводит к изменению частотной характеристики этих средств и их селективности в отношении помех. Обычно номинальные значения входных сопротивлений тензометрических преобразователей и приборов лежат в пределах 50—500—2000 Ом; кроме номинального диапазона сопротивлений тензорезисторов, входной импенданс характеризуется допустимой длиной соединительного кабеля (иногда с указание погонной емкости или волнового сопротивления).

Возможные варианты включения тензорезисторов: полный мост, полумост, одиночный тензорезистор по трехпроводной схеме или потенциометрическая схема.

По схемам включения оценивают  пригодность приборов для выполнения заданного вида исследований. Например, при измерениях деформаций кручения через токосъемное устройство целесообразно включать тензорезисторы по схеме полного моста с целью снижения влияния переходных сопротивлений токосъемного устройства. При многоточечном тензометрировании для снижения трудоемкости и стоимости эксперимента целесообразно применять одиночные самотермокомпенсированные тензорезисторы и т.д. Многие типы серийных тензорезисторных преобразователей механических величин имеют полную мостовую схему; их использование возможно с промежуточными преобразователями и с приборами, рассчитанными на подключение схемы полного моста.

Напряжение питания и вид  тока питания входной схемы или одного тензорезистора. Указанная в паспорте величина напряжения питания позволяет оценивать возможный перегрев тензорезисторов током питания во время измерений. Перегрев тензорезистора и вызываемая этим погрешность определяются не только плотностью тока, но и конструкцией тензорезистора, его тепловыми характеристиками, а также материалом и конструктивными размерами объекта исследования (т. е. теплообменом между решеткой тензорезистора и объектом исследования).                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                       

В преобразователях и приборах для  преобразования или измерения статических деформаций напряжение питания (при непрерывном питании) выбирается в пределах 1—4 В. В тензометрических усилителях напряжение питания 4—8 В. В многоточечных приборах с импульсным питанием мостовых схем амплитуда импульса может достигать  20—30 В при среднем значении напряжения 0,02—1 В.

Для питания тензометрических мостов используются постоянный ток, синусоидальный переменный ток, переменный ток в форме прямоугольных импульсов и периодические одиночные импульсы с большой скважностью. Частота переменного тока в преобразователях и приборах для измерения статических деформаций 275, 315 (частоты, не кратные 50 Гц), 500 и 1000 Гц. В тензометрических усилителях переменный ток с частотами 1; 3,5; 5; 10; 35 кГц и импульсное питание с частотой до 100 кГц. Несущая частота f_нес определяет предельную рабочую частоту тензометрических преобразователей и приборов,  обычно  f_в = 0,1—0,2f_нес.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                

Чувствительность тензорезисторов,  применяемых с данными преобразователями   или   приборами.   Этот параметр  указывают в основном для  преобразователей и приборов сравнения. Если в приборе нет регулятора чувствительности, обычно его шкала проградуирована под тензорезисторы с чувствительностью S_Т = 2,00. Обычно диапазон регулировки чувствительности у приборов, имеющих регулятор, от 1,75 до 2,25, у отдельных видов приборов — от  1,5 до 4,5.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        

Выходной ток преобразователя при рекомендуемом сопротивлении нагрузки — это амплитудное значение выходного тока, при котором гарантируется заданный допуск на нелинейность градуировочной характеристики. Величина выходного тока указывается в основном для магнитографов и тензометрических усилителей, предназначенных для работы с самописцами и светолучевыми осциллографами.

Значения максимальных выходных токов — в пределах 10— 200 мА (для работы со светолучевым осциллографом) и 100—500 мА (для работы с самописцами).

Выходное напряжение преобразователя указывают в паспортных данных тензометрических усилителей, имеющих специальный выход для подключения электронного осциллографа и магнитографа, анализатора или цифрового вольтметра и др., а также в приборах прямого действия для измерения статических деформаций, выход которых рассчитан для подключения цифрового вольтметра. Выходные напряжения, отнесенные к напряжению питания тензометрического моста, указывают у преобразователей механических величин. Причем значения выходных напряжений соответствуют номинальной нагрузке преобразователя.

 

 

 

 

2 Основная часть

2.1 Выбор и  расчет основных параметров устройства

 

Чувствительный элемент  в форме шара в малой степени реагирует на приложение измеряемых сил внецентренно или под углом. Сферические чувствительные элементы применяют в силоизмерителях непромышленного изготовления, предназначенных для измерения сжимающих сил (обычно более 50 кН). Тензорезисторы наклеивают на экваториальную часть шара, а измеряемые силы через специальные сферические башмаки прикладывают к полюсам. Лучшие временные характеристики такого чувствительного элемента можно получить, если вместо наклеиваемых тензорезисторов на экваториальную часть шара намотать тензочувствительную проволоку.

 

Рисунок 4 - Деформация упругого элемента

 

Диаметр стального шара вычисляется по формуле

,

где - максимальная измеряемая сила, P=mg (по условию m=20 тонн), тогда получаем

P=20000 * 9.81 = 196200 Н

= 44.29мм

Проведя округления получим, что диаметр стального шара D=44мм.

 

Деформация (прогиб) 

  ,

где E-модуль упругости (для  нашего случая E=210 гПА)

=0,0212 мм.

 

Основной измерительной  схемой в тензометрировании является мостовая схема. По числу плеч мостовой схемы, размещаемых вне прибора, в тензометрии принято различать  три модификации мостовой схемы. Простейшей и наиболее перспективной схемой включения тензорезисторов является мостовая схема с одним активным плечом; три других плеча выполнены в виде стабильных резисторов, размещенных в промежуточном преобразователе или приборе. Применение такой схемы стало возможным в связи с появлением и постоянным совершенствованием самотермокомпенсированных тензорезисторов. В настоящее время наиболее широкое применение, особенно при тензометрировании статических и квазистатических процессов, имеет полумостовая схема, где один тензорезистор используют как активный, второй, включенный в смежное плечо моста,— для температурной компенсации; другие плечи выполнены в виде стабильных резисторов, установленных в промежуточном преобразователе или приборе. Применяют также схему полного моста, в которой все плечи находятся вне прибора. Эту схему используют главным образом в тех случаях, когда недостаточно постоянны переходные сопротивления соединительных линий, токосъемных или коммутационных устройств.

При решении целого ряда задач тензометрирования требуется не только схемная температурная компенсация, но и автоматическое исключение (в процессе измерений) влияния различных составляющих деформаций, иными словами — выделение из сигнала тензорезисторов   информации, интересующей экспериментатора.

Ниже рассмотрены основные схемы включения тензорезисторов, применяемые с целью достижения термокомпенсации или исключения тех или иных составляющих деформаций.

 

Рисунок 5 - Схемы тензометрических мостов

а —с одним тензорезистором в каждом плече; б — с двумя тензорезис-торами в двух плечах

 

Автоматическое выделение различных составляющих деформаций эффективно в основном для простейших геометрических форм объектов исследования,  при достаточно точном их изготовлении.

Эффективность компенсации главным образом зависит от того, насколько близки по абсолютной величине исключаемые деформации, воспринимаемые взаимокомпенсирующими тензорезисторами.

Эффективность схемной  термокомпенсации также зависит  от того, насколько точно удается  обеспечить равенство температурных деформаций, воспринимаемых активными и компенсационными тензорезисторами.

На рисунке 5 показаны схемы тензометрических мостов, в которых включение тензорезисторов используется для термокомпенсации или исключения различных составляющих деформаций.

Исходя из предоставленных  данный был выбран тензорезистор 2ФКПА, с размерами 9х3 мм. Характеристики выбранного тезнорезистора представлены в таблице 1.

 

Таблица 1 - Номенклатура и технические данные тензорезистора 2ФКПА

Сопротивление R, Ом	Рабочий ток I, мА	Рабочий диапазон температур T, К	Габаритные размеры, мм			Конструкция решетки
			l	L	b
100	15	235-345	3	9	6

 

Основной измерительной  схемой в тензометрировании является небалансная мостовая схема (рисунок 5 а).