Merenje mehanickih velicina

Merenje mehaničkih veličina Osnovi merne tehnike

Merenje mehani~kih veli~inaelektri~nim putem


Merenjе napona i deformacija


- Napon u napregnutom štapu iznosi:

- Deformacija u pravcu izduženja je:

- Pored nominalnog izduženja postoji i suženje u poprečnompravcu:

- Nominalni napon je:

- Istezanje

Au =σ

Ε=

Δ= u

u ll σ

ε

uu

p μεσ

με −=Ε

−=

Ε= uu εσ

F


Za merenje deformacija koriste se merne trake koje mere površinsko izduženje.

- MT1,MT3 - za merenje nominalnog izduženja- MT2,MT4 - za merenje poprečnog izduženja

21 ,MTMT

Merenje mehaničkih veličina Osnovi merne tehnikeAko se merne trake vežu u pun Vistonov most dobija se signal mosta:

Zadatak pri merenju je da se na osnovu signala mosta odredi izduženje ε na mernom mestu:

Ovako se dobija merena defromacija, pa se onda mora da izvrši korekcija prema izrazu:

- pri čemu je:- ε -stvarna deformacija- εin -deformacija instrumenta.

E

A

uu

Βε 1

uu

k4

E

A=

ink2 εε =

B - faktor mostak - faktor merne trake

ΕΒ

ΕεΕεσ ⋅⋅=⋅⋅=⋅⋅=⋅=1

uu

k8A

k2AAAF

E

A2innn


- Savijanje

Pod dejstvom sile F vlakna u materijalu se sa gornje strane istežu, a sa donje sabijaju, tako da merne trake MT1 i MT3 registruju deformaciju suprotnog smera od deformacije na mestu mernih traka MT2 i MT4. To omogućuje znatno uvećanje signala mosta.

Мерење механичких величина Основи мерне техникеSignal mosta iznosi:

pri čemu treba uzeti u obzir da su izduženja međusobno jednaka,

⎪ε1⎪=⎪ε2⎪=⎪ε3⎪=⎪ε4⎪=⎪εn⎪

Napon usled savijanja silom F na rastojanju x odsile dat je jednačinom:

Mf - moment savijanjaW - otporni moment

napregnutog štapa

( ) ( )432144εεεεε −−+−−==

kBkuu

E

A

inin EckB

EckB

E εα

εεα

εσ 2121=⇒==

226

6bhFx

bhFx

wM f ===σ

x


Usled dejstva momenta uvijanja vlakna štapa trpe deformaciju izdužuju se zbog zauzimanja novog položaja (tako se vlakna AB′ koja grade ugao α sa podužnom osom zaokreću za ugao γ i prelaze u položaj AB).

-Uvijanje


Sa stanovišta opterećenja vlakana od interesa je pronaći vlakno koje pri uvijanju trpi najveću deformaciju. To su vlakna pod uglom α=±45° u odnosu na podužnu osu napregnutnog vlakna. Zbog toga se merne trake postavljaju pod uglom od 45° jer merimo najkritičniji napon.

45ºМtМt


Merne trake obrazuju pun Weaston–ov most čiji je signal datizrazom:

Deformacija vlakana na mestu lepljenja mernih traka iznosi:

zamenom α=45° dobija se:

Moment smicanja se može izračunati po obrascu:

εBkuu

E

A

4=

int

tin

ckr

GIM

GIrM

ck

εα

εα

12

121

0

0

=

==

00 22sin

2

1211

4221

GIrM

GIrM

ck

ck

ckB

tt

ininin

==

===

αε

εα

εα

εα

ε

0IrM t=τ


Merеnjе sile


Kod merenja sile ulogu pretvarača može igrati pretvaračsa omskom, induktivnom i kapacitivnom mernom veličinom.

Davači sile su uglavnom sastavljeni od sledećih elemenata:

- Elastični element sa pretvaračem,- Elemeni za prijem i prenos sile,- Kućište pretvarača.

U zavisnosti od oblasti elastičnosti elastičnog elemenata i vrste primene pretvarača, u primeni su različiti davači sile.


Kod ovih davača se kao pretvarači koriste merne trake koje su zalepljene na elastičnom elementu.

Elastični element možeimati različite oblike što zavisi od zahteva koje davač treba da ispuni.

Obično je to telo cilindričnog oblika po čijem su omotaču nalepljene merne trake prema slici

Davač sile sa mernim trakama


Vezivanje mernih traka vrši se u pun Vistonov most. Obično se pored aktivnih mernih traka koriste i dodatni otpori i merne trake, radi konpenzacijetemperaturnih uticaja, radi podešavanja osetljivosti kao i podešavanje ukupnog otpora davača.

Šematski prikaz jednog takvog davača dat je na sledećoj slici.

pri čemu su:

- R1 do R4 - aktivne merne trake,- R5, R6 - merne trake za

konpenzaciju temperature,- R7, R8 - otpornosti za

podešavanje mernog mosta,- R9 - otpnik za podešavanje

ukupnog otpora davača.


Očigledno je da se na povećanje koeficijenta pretvaranja može uticati izborom mernog mosta kao i oblikom elastičnog elementa.

Oblici elastičnih elementa su dati na slikama.

U zavisnosti od specifičnog zahteva mogu se upotrebiti i drugi oblici elastičnog elementa(merenje smera dejstva sile).

F


Elastični elementi se proračunavaju iz uslova da nominalna sila koja ih opterećuje ne dovede do plastičnog deformisanja u samom materijalu.

Kada pogledamo krivu σ-ε radna oblast elastičnih elemenata je 10 do 15% ispod granice elastičnosti.

Materijali od kojih se izrađuju elastični elementi pored elastičnih svojstava treba da imaju i otpornost na koroziju. Jer korozija može trajno promeniti svojstva materijala.

V

P

E

σ

σpσe

ε

V

ε

σ


Kod ovih davača se kao pretvarač deformacije elastičnog dela koristi induktivni pretvarač.

Davač sile sa induktivnim pretvaračem

Ovde su: L1,L2 -aktivni namotaji,L1t,L2t -namotaji za podešavanje osetljivosti,- zavrtanj za podešavanje,- Fe-feritno jezgro,- elastični element.

F


Merenje pritiska


Merenje pritiska gasova i tečnosti obavlja se pomoću davača pritiska.

Osnovni element je elastični element koji se pri povećanom pritisku deformiše.

Ta deformacija se određenim pretvaračimatransformiše u električni signal.

Najčešće primenjivani davači su:

- sa induktivnim pretvaračima i- sa otpornim mernim trakama.

Merenje mehaničkih veličina Osnovi merne tehnikeDava~ pritiska sa induktivnim pretvara~em

Pritisak deluje na membranu tako da se ona deformiše. Deformacija se prenosi na feritno jezgro koje svojim pomeranjem menja induktivnost u kalemovima L1, L2. Ova promena se registruje i pretvara u električni signal. Kalemovi L3 i L4 služe za podešavanje osetljivosti.


Ovaj davač se sastoji od elastične čaure koja se pravi od nerđajućeg materijala da bi se davač mogao koristiti i za agresivne sredine. Na telo čaure se lepe merne trake koje se povezuju u pun Vistonov most.

Davač pritiska sa otpornim mernim trakama


Ova vrsta senzora široko je primenjena kod industrijskih davača zbog svoje robusnosti, visoke klase tačnosti, brze dinamike (nekoliko stotina kHz) i odlične stabilnosti.

Piezoelektični senzor pritiska

Piezoelektični materijal

mmilos

Line

mmilos

Line


Merenje obrtnog momenta


Kod električnih merenja obrtnog momenta koriste se davačiobrtnog momenta.

U sebi sadrže elastični element koji se pod dejstvom obrtnog momenta deformiše, pa se zadatak svodi na pretvaranje tih deformacija u električni signal.

Postoje različita konstrukciona izvođenja elastičnogelementa, ali se najčešće koristi merno vratilo preko koga se prenosi mereni obrtni moment.

M

M

Deformabilno telo


Osnovni problem kod ovih davača je u prenosu signala sa obrtnog vratila na pojačavač. Obično se to vrši preko kliznihprstenova. Da bi se izbeglo povećanje prelaznog otpora na jedan prsten postavlja se veći broj četkica. Kao kontaktni materijal koristi se srebro, nerđajući čelik ili mesing u spoju sa grafitom.

Davači sa otpornim mernim trakama


Pod dejstvom obrtnog momenta deformiše se merno vrtatiloza ugao ϕ.

Davači sa induktivni pretvaračima

0

00

GIlM

=ϕ

0

0000 GI

rlMrl ==Δ ϕ

1 opterećena strana,2 pogonska strana,3 merna dužina,4 kalem,5 klizni prstenovi i6 četkice

Мerenje mehaničkih veličina Оsnovi merne tehnike

Merenje pravolinijskog i kružnog kretanja


- Potenciometarski pretvarači pravolinijskog i kružnog kretanja


- Kapacitivni pretvarači pravolinijskog i kružnog kretanja


- Induktivni pretvarači pravolinijskog kretanja

Induktivnost L

Jezgro Fe

Namotaj


- Optički i laserski pretvarači pravolinijskog kretanja


- Digitalni optički enkoderi pravolinijskog kretanja

Inkrementni Apsolutni


- Digitalni optički enkoderi kružnog kretanja

Inkrementni Apsolutni


Merenje brzinepravolinijskog kretanja


Brzina pokretnog elementa se može odrediti direktnim ili indirektnim postupkom.

Direktnim postupkom je moguće primeniti odgovarajući pretvarač čiji je izlazni signal proporcionalan brzini kretanja elementa na kome se merenje vrši.

Kod indirektnog postupka se primenjuje pretvarač koji ne daje direktno brzinu kretanja već neku drugu veličinu (put ili ubrzanje). U tom slučaju treba izvršiti određenu matematičku transformaciju dobijenog signala kako bi se dobila željena veličina (brzina).


Su{tina je u tome da se na odre|enom mestu stvori homogenomagnetno polje u kome se kre}u namotaji (a), ili da semagnetno polje kre}e unutar namotaja (b). Usled promenefluksa u namotajima se indukuje elektromotorna sila koja je

proporcionalna brzini kretanja pokretnog dela.

mmilos

Typewritten Text

mmilos

Typewritten Text

a)

mmilos

Typewritten Text

b)

mmilos

Typewritten Text

v

mmilos

Typewritten Text

v


Merenje ubrzanja i vibracija


Može se izvršiti davačima ubrzanja ili matematičkom transformacijom signala iz drugih davača (davač puta i davač brzine).

U zavisnosti od parametara oscilatornog sistema ovakvim davačima je moguće meriti parametre različitih oscilatornih kretanja.

фреквенцасопственафреквенцапобудна

ff===Ω

00ωω

Davač ubrzanja sa induktivnim pretvaračem


Za merenje oscilacija koristi se oscilatorni sistem kod koga je Ω>>1.

Za merenje ubrzanja koristi se oscilatorni sistem kod koga je Ω<1, znači jedan isti davač može da služi i za merenje ubrzanja i za merenje oscilacija.

Pored izbora frekvence potrebno je izabrati i veličinu davačašto može imati uticaja na merenje.

Davači ubrzanja i oscilacija se međusobno uglavnom razlikuju po konstrukcionom izvođenju primenjenogpretvarača. Za tu svrhu se mogu primeniti različitipretvarači, ali se najčešće primenjuju indukcioni, piezootporni, piezoelektrični i sa mernim trakama.

Мерење механичких величина Основи мерне технике

Davač ubrzanja sa piezoelektri~nim pretvaračem


Merenje nivoa


• Kapacitivna metoda

Linearna promena kapacitivnosti usled promene nivoa tečnosti između ploča.

Za merenje nivoa kod tečnosti koje su dobri dielektrici (ulja, benzin, i slično).


• Ultrazvucna metoda

Elektronski sklop meri vremensku razliku predajnog i prijemnog impulsa

Kada ne sme da postoji kontakt sa sadržajem rezervoara.Rade na principu refleksije talasa sa granične površine vazduh – tečnost sa bilo koje strane jer ultrazvuk može da se prostire bilo kroz tečnost bilo kroz vazduh.Meri se vreme prostiranja talasa između ultrazvučnog predajnika i prijemnika koje je direktno srazmerno merenom nivou.


Merenje brzine obrtanja


Za merenje brzine obrtanja između ostalih koriste se i sledeći davači:

- indukcioni,- optoelektronski,- induktivni,- ultrazvučni davači brzine obrtanja.


Kao indukcioni davači brzine obrtanja koriste se tahogeneratori

Generator naizmenične struje je pouzdaniji jer nema kliznihprstenova

Indukcioni davači brzine obrtanja


Za beskontaktna merenja brzine obrtanja koristi se ovakav indukcioni davač.

Na obrtnom disku je postavljen mali magnet kod koga se u trenutku prolaska pored namotaja indukuje napon


Na osovinu je pričvršćen disk, tzv čoper, koji je po obimu podeljen na providne i neprovidne sektore. Neprovidnisektori presecaju svetlost koja iz sijalice pada na fotoelektrični detektor otpornog ili naponskog tipa.

Prednosti ovih davača koje opravdavaju njihovu primenu su:- mogućnost beskontaktnog merenja,- mala opterećenja vratila čija se brzina meri (samo težina

diska) i - mogućnost povećanja tačnosti primenom diska sa većim

brojem rupica i crtica.

Optoelektronski dava~ brzine obrtanja


- Induktivni davač brzine obrtanja

Rotirajući objekat je konstruisan tako da ima jedan ili više metalnih zuba po obodu koji pri prolasku pored kalema menjaju njegovu induktivnost L (u zupcima se indukuju vihorne struje koje dovode do promene induktivnosti) usled čega dolazi do promene impedanse mernog pretvarača i promene izlaznog napona Ui.


Davač se sastoji iz izvora svetlosti i fotootpornika koji su smešteni u metalnom kućištu. Ova dva elementa su međusobno pregrađena tako da se ne mogu međusobno osvetljavati. Na disku koji rotira postavljena su tamna i svetla polja. Pri refleksiji svetlosti o disk koji rotira menja se otpornost foto-otpornika i na taj način nastaje naizmenični napon

Davač sa odsjajnim (refleksionim) diskom


Princip rada se zasniva na različitom apsorbovanju ultrazvučnih vibracija raznorodnih materijala. Ovi davači upotrebljavaju se za merenje brzine obrtanja teško dostupnih delova

Nakon demodulisanja dobija se napon čija je frekvenca jednaka brzini obrtanja zvrka.

Ultrazvučni davači

1. emisiona glava,2. cev,3. zvrk,4. prijemna glava,5. pojačavač i6. generator ultrazvuka.


Merenje temperature


Merenje temperature je predmet teorijske i eksperimentalne discipline koja se naziva termometrija.

Temperatura se meri posredno preko neke fizičke veličine koja zavisi od temperature.

Merenje temperature se može ostvariti na dva načina:- merenjem parametara sredine čija se temperatura meri,- merenjem parametara pomoćnog tela koje se posredno ili

neposredno dovodi u stanje ravnoteže sa telom ili sredinom čija se temperatura meri.

Pomoćno telo predstavlja davač mernog uređaja i naziva se termoprijemnik ili termometrijsko telo. Pri merenju se termoprijemnik može nalaziti u neposrednom kontaktu sa telom čija se temperatura meri ili se kontakt ostvaruje optičkim putem. U zavisnosti od toga svi metodi i uređaji za merenje se dele na kontaktne i bezkontaktne.


Merenje temperature u praksi izvodi se raznovrsnim termometrima, prema tome o kojoj se temperaturi radi (visoke, niske) i mestu merenja (laboratorija, industrija). Termometri se mogu podeliti prema sredstvu, osobini ili principu, na više grupa. Osnovne grupe su:

- Termometri sa širenjem čvrstih tela,- Termometri na bazi širenja tečnosti i gasova,- otporni termometri i- pirometri.


Osobina materijala da sa promenom temperature menja svoju električnu provodljivost, iskorišćena je za izradu mernih uređaja za merenje temperature kod otpornih termometara sa termootpornimpretvaračima

Otporni termometri na bazi poluprovodnika (termistori) poseduju znatno veću osetljivost od klasičnih otpornih termometara

Otoprni termometri


Termoelementi

Za različite temperaturne oblasti postoje različiti parovi termoelemenata – termoparova.

- jednostavno merenje na velikoj udaljenosti, - širok opseg merenja od -185 do 2760oC,- jeftini su ,- imaju malu preciznost merenja


Najrasprostranjeniji su uređaji sa vlaknom na iščezavanje.

Princip rada zasniva se na izjednjačavanju jarkosti (stepen usijanja dva tela). Jedno telo je telo sa nepoznatom temperaturom a drugo je vlakno fotometrijske lampe.

Pirometri

1. Objekat merenja,2. Objektiv,3. Filter za slabljenje4. Fotometrijska lampa,5. Okular,6. Monohromatski filter7. Okularna dijafragma,8. Operator,9. Milivoltmetar,10. Izvor EMS11. Reostat i12. Elektroprekidač


Merenje protoka


• Elektrodinami~ka metoda (indukcijska metoda)

– Protok tečnosti kroz cev koja se nalazi u magnetnom polju analoganje vibriranju jezičaka izmedu polova magneta

k – Konstanta koja se dobija baždarenjem – Magnetna indukcija

D – Prečnik ceviv – Srednja brzina strujanja

B

B

E


• Anemometri sa ugrejanom `icom i filmom

– Omogućuje merenje masenog protoka– Nema pada pritiska– Merni signal ne zavisi od sastava tečnosti– Koristi se za regulaciju masenog protoka


Anemometri sa ugrejanom žicom i filmom se koriste za dinamička merenja kada se zahteva velika brzina odziva. Senzori od žice (platina, volfram, nikl i slično) su dužine oko 5mm i debljine 5 – 10μm.Rad se zasniva na promeni odvođenja toplote sa ugrejane žice u zavisnosti od brzine strujanja okolnog fluida. Anemometri od žice su podložni kidanju pri mehaničkim udarima i pregorevaju pri visokim strujama zagravanja pa se žica presvlači tankim zaštitnim slojem od kvarcnog stakla. Još stabilniji senzori se dobijaju kada se umesto žice koristi tanak film koji se ostvarjuje naparavanjem metalnog sloja na kvarcnu ili keramičku podlogu. Prednost filmova se ogleda u boljim mehaničkim osobinama, manje pregorevaju i nisu podložni uticaju nečistoća.


• Turbinski protokomer sa elisom

Gde su:α – ugao krilaca turbine u odnosu na smer strujanjar – srednji poluprečnik rotora turbineSu– površina poprečnog preseka ceviSr– površina poprečnog preseka rotora turbine


Kada fluid protiče kroz cev on izaziva obrtanje elise. Jedna od lopatica je napravljena od magnetnog materijala tako da pri svakom prolazu stalnog magneta pored kalema dolazi do indukovanja naponskih impulsa u kalemu koji se registruju na brojaču. Ako je n broj iymerenih naponskih impulsa onda je mereni protok:

Q=c·ω=c ·2πn

Gde je c – konstanta koja zavisi od konstruktivnih elemenata uređaja.

• Turbinski protokomer sa elisom

Documents

Merenje mehanickih velicina