10.2 Вимірювання сил і крутячих моментів

Діапазони вимірювань механічних сил і крутячих моментів дуже широкі, звідки і велика різноманітність методів їх вимірювань. Практично всі ці методи можна поділити на методи з безпосереднім перетворенням вимірюваннях сил і моментів в електричний сигнал і методи з проміжним перетворювання и вимірюваних величин у переміщення.

В приладах, що базуються на першому різновиді методів використовуються магнітопружні і п’єзоелектричні перетворювачі. Ці прилади не потребують додаткових перетворюючих елементів оскільки тут вимірювані сили і моменти безпосередньо сприймаються магнітопружним або п’єзоелектричним перетворювачем.

Структурні схеми вимірювань, що базуються на другому різновиді методів являють собою послідовне з’єднання:

• пружного елемента, що перетворює вимірювану силу або крутячий момент у переміщення;

• перетворювача переміщення у електричний сигнал;

• електровимірювального приладу.

Як перетворювачі переміщення у електричний сигнал тут здебільшого використовуються тензорезистори, індукційні та ємнісні перетворювачі, а як перетворювачі сили чи моменту у переміщення – мембрани та пружні муфти. Похибки перетворювачів сили чи моменту у електричний сигнал складають: 0,5–2% - для п’єзоелектричних перетворювачів, 3–4 % - індукційних перетворювачів, 1-2% - ємнісних перетворювачів, 5-10% -тензористорних перетворювачів (без попереднього градуювання), 1-2% - тензорезисторних перетворювачів з попереднім градуюванням. Як вторинні електровимірювальні прилади, що вимірюють електричний сигнал на виході перетворювача сили, моменту чи переміщення використовують електровимірювальні прилади, як прямого перетворення (здебільшого мілі- чи мікро-вольтметри) так і зрівноважуючого перетворення (здебільшого вимірювальні мости постійного або змінного струму).

Слід зауважити, що методи вимірювання сили за допомогою її перетворення у електричний сигнал можуть застосовуватись і застосовуються, наприклад, при проведені бурових робіт для контролю тиску газу або рідини.

Тема 11. Вимірювання частоти обертання (кутової швидкості)

В системі одиниць СІ одиницею частоти обертання є радіан за с, але поряд з цим досить широко застосовують одиниці „оберти за секунду” чи „оберти за хвилину”. Вим та стробоскопічним методом.

Тахометри – це прилади, які перетворюють (частіше за все за допомогою відцентрового елемента) кутову швидкість у повертаючий момент, що викликає переміщення покажчика приладу по його шкалі. Для приєднання вала тахометра до обертових деталей машин кожний тахометр комплектується гумовими та сталевими наконечниками, які при вимірюванні уставляються у конічне заглиблення не торці вала машини. Гумові наконечники застосовуються для вимірювання великих швидкостей, сталеві – для середніх і малих швидкостей.

В набор приладів до тахометра крім наконечників входить також круглий гумовий шків, який при вимірювання притискують до зовнішніх поверхонь обертових елементів машин. При використанні шківа вимірювану швидкість визначають за формулою . Тут n_T – показ тахометра, d, D – діаметри шківа і обертової деталі машини відповідно. Границі вимірювань відцентрових тахометрів лежать в межах 25-10000 обхв, оберти тахометрів дорівнюють 0,5-1%.

Вимірювання кутової швидкості тахогенераторами ґрунтується на тому, що вихідна напруга тахогенератора пропорційна швидкості обертання його вала. Але при цьому слід враховувати, що лінійна залежність справедлива тільки при роботі тахогенератора на холостому ході і при підмиканні до нього вторинного електровимірювального приладу (мілівольтметра). Ця залежність спотворюється, тому для зменшення методичної похибки рекомендується вибирати мілівольтметр з можливо великим вхідним опором. Методичні похибки вимірювальної схеми тахогенератор-мілівольтметр можна уникнути користуючись градуювальною таблицею, складеної для конкретної пари тахогенератор-мілівольтметр. Основна зведена інструментальна похибка тахогенераторів дорівнює 0,5 – 1%.

Методи вимірювання кутової швидкості тахометром або тахогенератором є контактними, бо потребують безпосереднього контакту тахометра чи тахогенератора з обертовим тілом, швидкість якого вимірюється. Швидкість такий контакт викликає на контрольованій машині або деталі гальмовий момент, що зменшує її швидкість, особливо це стосується вимірювання швидкості тахометром.

Стробоскопічний метод вимірювання кутової швидкості не має цього недоліку, бо ґрунтується не світлових ефектах, що виникають при порівнянні чистоти обертання вала контрольованого механізму з частотою мигання імпульсного джерела світла.

Наступний рисунок пояснює принцип дії стробоскопічного метода.

Очевидно, що мітка нанесена на обертовий диск буде нерухомою при освітлюванні диска імпульсним джерелом світла з частотою, що співпадає з частотою обертання диска.

Отже, тут

.

Якщо в якості імпульсного джерела світла використовувати неонову лампу можна рекомендувати таку електричну схему експерименту по стробоскопічному визначенню кутової швидкості обертання об’єкта.

Тр

Д

генер.

синосоїд.

елек.

сигн.

Точність і границі вимірювання кутової швидкості стробоскопічним методом залежать від точності частоти мигань імпульсного джерела світла і значення границь частоти цих мигань. Вони значно вищі ніж при використанні тахометрів або тахогенераторів. Так, наприклад, зразковою універсальною тахометричною установкою ОТХ-150 можна вимірювати швидкість обертання в діапазоні 5-150000 обхв з похибкою, що не перевищує 0,01%.