ИЗМЕРЕНИЕ СИЛЫ (ВЕСА) И ДАВЛЕНИЯ

Для измерения силы и веса используются приборы, которые называют динамометрами или датчиками силы. Кроме того, силу или вес можно определять путем измерения гидростатического давления, образующегося за счет действия измеряемой величины (рис. 15.1).

		Рис. 15.1. Схема измерения силы (веса) гидростатическим способом

Такой способ очень прост, его точность зависит от класса точности манометра, погрешности измерения диаметра цилиндра и силы трения в герметичном поршневом уплотнении, которую можно легко учесть как систематическую ошибку. Зная давление и площадь поршня можно определить силу, действующую на шток.

Такой метод измерения можно использовать при статических нагрузках или при контроле медленно изменяющихся сил, когда наблюдатель успевает зафиксировать измеряемую величину.

Если в качестве прибора, измеряющего давление (на рис. 15.1 это манометр) использовать какой-либо датчик давления, подключенный к регистрирующей аппаратуре, то можно наблюдать и за относительно быстрым изменением силы во времени. Однако, в этом случае необходимо учитывать явление инерции, которое, несмотря на ничтожно малое сжатие жидкости, будет иметь место в связи с микроперемещением поршня.

Если цилиндр сделать герметичным и над поршнем, и образовавшуюся полость также заполнить жидкостью и соединить с манометром, то таким прибором можно измерять как усилие сжатия (вес), так и силу растяжения.

Для измерения стационарных или медленно меняющихся нагрузок можно использовать приборы, называемые пружинными динамометрами, в которых сила или вес преобразуются в сравнительно большие упругие перемещения, которые легко измерить. Точность таких приборов целиком зависит от погрешности индикаторов часового типа и точности тарировки. В принципе динамометры представляют собой упругую балку с защемленными концами (рис. 15.2).

При приложении нагрузки F упругие балки 2 прогибаются, расстояние L между ними сокращается, что фиксируется индикатором 4. Динамометр тарируется на разрывных машинах, где величина нагрузки определяется, чаще всего, гидростатическим методом (см. выше).

Если верхнюю и нижнюю опору (3 и 5) снабдить резьбой или петлями, то динамометр сможет работать в обе стороны (на сжатие и растяжение).

Динамометры этого типа могут измерять усилия от долей ньютона до десятков тонн.

Расчет такого динамометра ведут с учетом желаемого упругого перемещения балок под измеряемой нагрузкой и цены деления индикатора. Обычно прогиб не превышает долей миллиметра. При расчете нужно также учитывать, что возникающие в измерительных балках напряжения должны составлять не более 0,1 предела упругости для выбранного материала. В противном случае в результате длительного применения упругость балок изменяется в связи с появлением «усталости» материала, из которого они изготовлены, и, кроме того, может возникнуть явление гистерезиса. Индикатор обычно выбирается с ценой деления 0,01 мм или менее.

Индикатор часового типа такого динамометра может быть преобразован в потенциометр. В этом случае в качество стрелки используется скользящий по резистивному слою контакт, и такой динамометр может использоваться для измерения сравнительно быстро меняющейся нагрузки, т.к. напряжение, снимаемое с потенциометра, легко может фиксироваться такими оперативными приборами, как осциллограф или после соответствующей обработки в аналогово-цифровом преобразователе (АЦП) может быть послан в ЭВМ.

Основным достоинством динамометров пружинного типа является их низкая стоимость, высокая надежность и наглядность результатов измерений.

В настоящее время при проведении инженерных и научных экспериментов при измерении силы все большая часть исследователей используют тензометрические датчики, которые производятся серийно различными фирмами и имеют высокую точность и надежность.

В принципе, если на гибкие пластины наклеить тензорезисторы, то динамометр превращается в тензодатчик, что практически и делают при их производстве. Формы упругих элементов используют самые различные, тензорезисторы применяют резистивного типа или полупроводниковые. Тензодатчики принципиально различаются по способу их крепления на балочного и опорного (распорного) типа (рис. 15.3).

			Рис. 15.3. Внешний вид некоторых типов тензодатчиков: а – опорного типа сжатия, б – распорного типа растяжения, в – балочного типа

Производители тензодатчиков все чаще встраивают в их конструкцию готовые измерительные мосты, усилители и даже АЦП, что облегчает использование этих приборов, в том числе в электронных системах контроля и управления. Кроме того, выпускаются готовые показывающие приборы, которые подключаются к тензодатчикам и имеют электронные табло.

Для измерения давления жидкостей и газов наибольшее распространение получили приборы, имеющие упругие мембраны, перемещающиеся под действием перепада давления. При измерении очень малых перепадов давления применяют потенциометрические датчики (рис. 15.4)

	Рис. 15.4. Схема мембранного датчика перепада давления потенциометрического типа: 1. Полость атмосферного давления Р0. 2. Ось вращения ползунка. 3. Пружина растяжения. 4. Ползунок потенциометра. 5. Проволочный резистор. 6. Электрические выводы. 7. Мембрана. 8. Полость с измеряемым давлением РИ. 9. Пружина сжатия. 10. Шток

Мембранный датчик потенциометрического типа состоит из потенциометра 1, подвижный ползун 4 которого приводится в движение мембраной 7, находящейся под перепадом давления между, например, давлением атмосферы Р₀ и измеряемым давлением Р_И.

При одинаковых давлениях Р₀ и Р_И под действием пружин 3 и 9 ползунок 4 переходит в крайнее левое положение, устанавливая некоторое начальное сопротивление потенциометра. При увеличении измеряемого давления Р_И, давление в полости 7 увеличивается. На мембране 7 появляется перепад давления, под действием которого мембрана 7, преодолевая суммарное усилие пружин 3 и 9, перемещается вправо на величину, пропорциональную разности давлений Р₀ иР_И. Соответственно, пропорционально этой разности изменяется и сопротивление потенциометра, которое фиксируется вторичным прибором, проградуированным в единицах давления. Кроме того, падение напряжения на потенциометре может быть в виде электрического сигнала подано на осциллограф или в АЦП и далее в ЭВМ.

Датчик такого типа может использоваться и в качестве дифференциального манометра для измерения расходов газа и жидкости.

Перепад давления может быть измерен и датчиком с преобразователем индукционного типа (рис. 15.5). При изменении перепада между атмосферным Р₀ и измеряемым давлением Р_И длина мембранной камеры L также изменяется, что приводит к изменению положения стального сердечника 3 во вторичной обмотке 6 и, соответственно, к изменению индуктивности катушки 6. Катушка 6 включена в схему измерительного моста, и изменение ее индуктивности приводит к его разбалансировке. Появляющийся при этом электрический сигнал подается во вторичный показывающий прибор, или через АЦП в ЭВМ.

Камера 7 и поршень 8, выполненный заодно со стальным сердечником 3, образуют пневматический амортизатор, гасящий колебания измерительной системы, которые могут возникнуть при резких скачках измеряемого давления.

Недостатком датчиков мембранного типа является наличие подвижных частей, совершающих значительные перемещения, и явление трения, приводящее к неизбежному износу и, в конце концов, – к отказу датчика.

Этого недостатка лишены датчики тензометрического типа, в которых для генерации сигнала служат тензорезисторы, изменяющие свое сопротивление при чрезвычайно малых (сотые доли миллиметра и менее) деформациях активного элемента, на которых они закреплены (рис. 15.6).

При появлении перепада давления между полостями 2 и 4 упругий элемент 5 (мембрана), на который наклеен тензорезистор 3, изгибается в пределах упругих деформаций (это сотые и даже тысячные доли миллиметра). При этом тензорезистор 3 удлиняется, его сопротивление меняется. Рабочий тензорезистор 3 вместе с компенсационным резистором 6 включены в мостовую измерительную схему (сопротивление резисторов 3 и 6 в исходном состоянии равны). При изменении сопротивления резистора 3 происходит разбалансировка моста, и сигнал разбалансировки, пропорциональный перепаду давления на элементе 5, подается на вторичный показывающий прибор или через АЦП на ЭВМ.

Современные тензометрические датчики давления весьма компактны, и представляют собой небольших размеров цилиндры с присоединительной резьбой со стороны измерительной части и с электрическим разъемом на другой стороне.

В настоящее время для производства таких датчиков изготавливаются специальные тензорезисторы, имеющие одновременно две петли – основную измерительную и компенсационную.