Вимірювання механічних сил та тиску

Переважна більшість силовимірювальних пристроїв (динамомет­рів) основана на методі перетворення вимірюваної сили в механічні напруження в матеріалі пружного перетворювального елемента і його деформацію, котрі за допомогою тензорезистивних, індуктивних, п'єзо­електричних, магнітопружних чи інших вторинних перетворювачів перетворюються в електричний сигнал або зміну вихідного електрич­ного параметра.

Залежно від значення вимірюваної сили як первинні перетворю­вачі можуть використовуватись стержневі пружні елементи, пружні кільця, балкові пружні елементи. Вторинними перетворювачами динамометрів з механічними пружними перетворювачами сили в деформацію є, переважно, тензорезистивні перетворювачі, а вимірю­вальні кола - мостові. Такі динамометри призначаються для вимірювань з похибкою 1...2 %.

Незважаючи на порівняно низьку точність (сумарна похибка ви­мірювання сили становить 2...3 %), широко застосовуються для вимірю­вань великих сил (Ю⁵...10⁶Н) в складних умовах динамометри з магніто-пружним перетворювальним елементом, які відрізняються простотою конструкції, високою надійністю, значною потужністю вхідного сигна­лу. Магнітопружні перетворювачі виготовляють, переважно, диферен­ціальними. Один з перетворювальних елементів є робочим, а іден­тичний йому інший перетворювальний елемент, на який не діють вимірювальні зусилля, служить для компенсації початкової індуктив­ності робочого перетворювального елемента, а також для компенсації впливу зовнішніх чинників, зокрема температури довкілля, частоти джерела живлення.

Основою п'єзоелектричних динамометрів єп'єзоелектричні пере­творювачі сили в електричний заряд. Труднощі, що виникають під час побудови п'єзоелектричних динамометрів, зумовлені електроста­тичною природою зарядів п'єзоелектричного перетворювача: їх малим значенням, тенденцією до швидкого стікання через опір ізоляції та вхідний опір підсилювача. Надзвичайно мала вихідна потужність при великому опорі п'єзодавача вимагає використання високочутливих під­силювачів з дуже великим вхідним опором. Тому певний час п'єзодинамометри застосовувались лише для вимірювання змінних сил (тисків). Використання в п'єзодинамометрах підсилювачів заряду дає змогу в ти­сячі разів зменшити стікання заряду, а, отже, тривало підтри­мувати значення вихідного сигналу, що дало можливість створити п'єзодинамометри і для вимірювань сталих сил.

До переваг п'єзодинамометрів належить їх висока чутливість, ви­сока швидкодія. Зведена похибка п'єзодинамометрів знаходиться в межах 1 %.

Широкий діапазон вимірюваних тисків - від часток Па до майже 10¹⁰ Па зумовив і велику різноманітність методів та засобів їх вимі­рювань. Значна частина методів основана на попередньому перетво­ренні тиску в механічне напруження, деформацію чи переміщення за допомогою пружних перетворювальних елементів з наступ­ним вимірюванням механічного напруження, деформації чи перемі­щення. В інших засобах використовуються фізичні ефекти, які дають змогу безпосередньо перетворювати вимірюваний тиск в електричну ве­личину, наприклад, у заряд, як у п'єзоелектричних манометрах, чи в змі­ну вихідного електричного опору в результаті баричного тензоефекту.

В ємнісних перетворювачах тиску чутливими елементами, що пе­ретворюють вимірюваний тиск в переміщення, є мембрани. Одночасно вони можуть бути використані як рухомі електроди. Ємнісні перетворю­вачі звичайно мають верхню границю 200...800 Па при чутливості 0,5...1,0 пФ/Па та початковій ємності 10...20 пФ. Основна їх похибка становить 1...2 %.

Для вимірювань тиску з попереднім його перетворенням в пере­міщення широко застосовуються вторинні прилади з диференціально-трансформаторними вимірювальними колами: як показуючі т.КПД, так і самописні т.КСД. На рис. 3 наведена спрощена схема манометра з первинним перетворювачем тиску в переміщення у вигляді одновиткової трубчатої пружини (трубки Бурдона) та вторинного приладу т.КСД. Переміщення вільного кінця трубки Бурдона, пропорційне до вимірюваного тиску, передається рухомому осердю вхідного диферен­ціально-трансформаторного перетворювача ДТП-1. Прилад т.КСД містить також аналогічний вхідному компенсувальний диференціально-трансформаторний перетворювач ДТП-2, осердя якого переміщається з допомогою профільного кулачкового механізму KM, механічно зв'яза­ного з віссю реверсного двигуна РД, а також електронний фазочутливий підсилювач. З віссю обертання кулачкового механізму також механічно зв'язана стрілка відлікового пристрою ВдП. Обмотки збудження ДТП-1 та ДТП-2 з'єднані послідовно і живляться від спільного джерела змінної напруги. Вихідні обмотки ДТП увімкнені послідовно і зустрічно.

Для настроювання системи та забезпечення взаємозамінності первинних перетворювачів може бути передбачена можливість регулювання вихідної напруги ДТП для кінцевого значення діапазону,вимірювання.

Рис 3. Схема манометра з диференціально-трансформаторними перетворювачами

Підсилений різницевий сигнал ΔU подається на обмотку керуван­ня реверсивного двигуна РД і викликає обертання його ротора в такому напрямку, щоб переміщення осердя компенсувального ДТП-2 дало зменшення різницевої напруги ΔU аж поки вона дорівнюватиме нулю. Проградуювавши, шкалу відлікового пристрою в одиницях тиску, будемо вимірювати його зміну.

Основна похибка таких манометрів не перевищує 1%.