Laboratorium z Miernictwa

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych

Pomiar obci

ąż

enia

Laboratorium z Miernictwa

Laboratorium z Miernictwa

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych

Rodzaje przetworników stosowanych

do okre

ś

lenia obci

ąż

enia

• przetworniki siły i masy,

• przetworniki ci

ś

nienia,

• przetworniki momentu,

• akcelerometry,

• inne.

Laboratorium z Miernictwa

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych

Czujniki siły i masy

mog

ą

by

ć

stosowane do przetwarzania wymienionych wielko

ś

ci fizycznych w torach

pomiarowych układów o dowolnym przeznaczeniu. Czujniki mog

ą

by

ć

obci

ąż

ane siłami

ś

ciskaj

ą

cymi lub rozci

ą

gaj

ą

cymi, statycznymi i dynamicznymi o wielko

ś

ci odpowiedniej do typu i

zakresu przetwornika pomiarowego.

Czujniki składaj

ą

si

ę

z ła

ń

cucha pomiarowego zawieraj

ą

cego element wprowadzaj

ą

cy sił

ę

,

mechanicznego korpusu odkształcalnego, przetwornika mechano-elektrycznego (tensometru,
elementu

piezokwarcowego)

przetwarzaj

ą

cego

mechaniczne

napr

ęż

enia

w

korpusie

odkształcalnym w elektrycznie mierzalne sygnały i nast

ę

puj

ą

cego po nim wzmacniacza

elektrycznego opracowuj

ą

cego sygnał pomiarowy. Mnogo

ść

ró

ż

nych korpusów odkształcalnych

dostosowana jest do ró

ż

norodno

ś

ci zada

ń

pomiarowych.

Sposób działania korpusów odkształcalnych mo

ż

na najlepiej przybli

ż

y

ć

funkcjonowaniem

spr

ęż

yny gi

ę

tkiej. Mierzona siła wytwarza miejscowe napr

ęż

enia i deformacje korpusu czujnika.

Dla zapobie

ż

enia nieliniowo

ś

ciom odkształcenia korpusu minimalizowane s

ą

konstrukcyjnie

(du

ż

a sztywno

ść

). Tak osi

ą

ga si

ę

daleko id

ą

c

ą

proporcjonalno

ść

. W zale

ż

no

ś

ci od aplikacji

stosuje si

ę

ró

ż

ne konstrukcje zale

ż

ne od zastosowanego kształtu korpusu i materiału. Niektóre

typowe korpusy to zginane sztaby, podwójne belki i czujniki membranowe.

Laboratorium z Miernictwa

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych

Przykłady czujników siły

Czujniki z pr

ę

tem zginanym lub belk

ą

rys., s

ą

najta

ń

sze ze wzgl

ę

du na łatw

ą

konstrukcj

ę

.

Zakres rozci

ą

gania tych czujników jest stosunkowo mały i przez to konstrukcje te s

ą

bardzo czułe na przemieszczanie punktu przyło

ż

enia siły. Czujniki belkowe s

ą

w

ogólno

ś

ci przeznaczone raczej do małych zakresów sił.

Laboratorium z Miernictwa

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych

Przykłady czujników siły – cd.

Daleko szerszy zakres uzyskuje si

ę

przy belce podwójnej rys. Obszary

ś

ciskania i

rozci

ą

gania s

ą

wi

ę

ksze, co osi

ą

gni

ę

to przez zrównoleglenie belek. Zasada ta stosowana

jest te

ż

w zmodyfikowanej postaci w U-kształtnych i S-kształtnych korpusach.

Jedn

ą

z zalet tej konstrukcji jest odporno

ść

na zakłócaj

ą

cy wpływ punktu przyło

ż

enia siły.

Laboratorium z Miernictwa

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych

Dla wi

ę

kszych zakresów sił zamiast belki stosuje si

ę

konstrukcje, w których działaj

ą

siły

ś

cinaj

ą

ce (ze wzgl

ę

du na wi

ę

ksz

ą

sztywno

ść

).

Poprzez dwustronne wybranie materiału korpusu odkształceniowego uformowano
mostek, na który nakleja si

ę

tensometry. Przyło

ż

ona do przetwornika siła napr

ęż

a

mostek (

ś

cina) i rozci

ą

ga lub

ś

ciska tensometr.

Przykłady czujników siły – cd.

Laboratorium z Miernictwa

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych

Bardzo

wysok

ą

dokładno

ść

osi

ą

ga

si

ę

przy

czujnikach

membranowych, gdy

ż

zoptymalizowany jest odst

ę

p pomi

ę

dzy

punktem przyło

ż

enia siły, a zwielokrotnionym obszarem z

tensometrami. Taka wielokrotna belka pomiarowa w du

ż

ym

stopniu odporna jest na zakłócaj

ą

ce sygnały, gdy

ż

sygnały z

pojedynczych komórek pomiarowych s

ą

u

ś

redniane. Dla bardzo

du

ż

ych

obci

ąż

e

ń

stosuje

si

ę

zamkni

ę

te

oraz

podzielone

membrany charakteryzuj

ą

ce si

ę

du

żą

sztywno

ś

ci

ą

.

Przykłady czujników siły – cd.

Ró

ż

norodno

ść

kształtu i sposobu mocowania

Laboratorium z Miernictwa

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych

Przykłady czujników siły – cd.

Czujniki do pomiaru obci

ąż

enia firmy Greer

Laboratorium z Miernictwa

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych

Przykłady czujników siły – cd.

Bezprzewodowy czujnik do

pomiaru obci

ąż

enia

Load Systems

Laboratorium z Miernictwa

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych

Przykłady czujników siły – cd.

Czujniki siły Magtrol

Sworznie mierz

ą

ce obci

ąż

enie

pracuj

ą

ce na

ś

cinanie

umieszczane s

ą

w miejsce

normalnych elementów na
maszynie i u

ż

ywane do pomiaru

obci

ąż

enia i wykrywania

przeci

ąż

e

ń

.

Laboratorium z Miernictwa

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych

Zainstalowanie czujników siły na maszynie

Czujnik siły zainstalowany na maszynie

Laboratorium z Miernictwa

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych

Czujniki ci

ś

nienia

Czujniki ci

ś

nienia – przeznaczone s

ą

do przetwarzania ci

ś

nie

ń

cieczy,

par i gazów na sygnały elektryczne i mog

ą

by

ć

stosowane w torach

pomiarowych układów mierz

ą

cych, diagnostycznych i steruj

ą

cych,

regulatorach i innych urz

ą

dzeniach.

Czujniki ci

ś

nienia składaj

ą

si

ę

w podstawowej swej zabudowie z

korpusu

pomiarowego

z

przył

ą

czem

ci

ś

nienia,

elementu

odkształcalnego

(np.

membrany

pomiarowej)

z

przetwornikiem

mechano-elektrycznym

oraz

z

elektronicznego

wzmacniacza

pomiarowego.

Mechaniczna zabudowa korpusu czujnika ci

ś

nienia jest zale

ż

na m.in.

od warunków otoczenia i zastosowanej technologii przetwornika
mechano-elektrycznego.
Najcz

ęś

ciej

stosuje

si

ę

przetworniki

tensometryczne

lub

piezokwarcowe.

Laboratorium z Miernictwa

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych

Czujniki ci

ś

nienia

Czujniki ci

ś

nienia z korpusem pomiarowym metalowym

i przetwornikiem tensometrycznym

Układ elektroniczny zawiera człony regulacyjne i kompensacyjne dla wyeliminowania

wpływów temperatury i dla osi

ą

gni

ą

cia symetrii mostka pomiarowego

Laboratorium z Miernictwa

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych

Przetworniki mechano-elektryczne

• tensometry,

• elementy piezoelekttryczne,

Laboratorium z Miernictwa

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych

Rodzaje tensometrów

Laboratorium z Miernictwa

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych

Rodzaje siatek tensometrów

Laboratorium z Miernictwa

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych

Rodzaje siatek tensometrów

Tensometry 1-osiowe

Tensometry 2-osiowe

Tensometry 3-osiowe

Tensometry 4-osiowe

Laboratorium z Miernictwa

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych

Przykłady tensometrów

Laboratorium z Miernictwa

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych

Mostek tensometryczny

Laboratorium z Miernictwa

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych

Układ o jednym stopniu swobody

Laboratorium z Miernictwa

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych

Schemat układu pomiarowego

Laboratorium z Miernictwa

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych

Obliczenia sił

1

1

2

2

T

R

p A

p A

F

=

−

−

2

2

x

y

R

R

R

=

+

p

1

, p

2

– ci

ś

nienia w siłowniku, odpowiednio po stronie tłokowej i tłoczyskowej,

A

1

, A

2

– odpowiednie pola powierzchni czynnej siłownika

R

x

, R

y

– składowe siły mierzonej przetwornikiem typu „load – pin”

(

)

2

2

2

1

2

D

d

D

A

;

A

4

4

π

π

−

=

=

Dane:

D=100 mm

-

ś

rednica tłoka,

d=60 mm

-

ś

rednica tłoczyska.

Laboratorium z Miernictwa

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych

Zadania do wykonania

• opracowanie schematu układu:

– układ mechaniczno – nap

ę

dowy,

– układ elektryczno – pomiarowy,
– wykaz elementów,

• pomiar nast. wielko

ś

ci:

– przemieszczenie siłownika,
– napi

ę

cie wyj

ś

ciowe przetwornika k

ą

ta,

– ci

ś

nienia w siłowniku wysi

ę

gnika,

– napi

ę

cia wyj

ś

ciowe z przetwornika „load-pin”.

Laboratorium z Miernictwa

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych

Zadania do wykonania

• obliczenie k

ą

ta pochylenia wysi

ę

gnika,

• obliczenie siły hydrostatycznej siłownika,
• obliczenie wypadkowej siły rejestrowanej

przetwornikiem „load-pin”,

• sporz

ą

dzenie wykresów mierzonych i

obliczonych parametrów,

• sporz

ą

dzenie charakterystyki siły w funkcji k

ą

ta

pochylenia wysi

ę

gnika przy podnoszeniu i

opuszczaniu (wykres z histerez

ą

)

• wnioski

Laboratorium z Miernictwa

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych

Dodatki

Laboratorium z Miernictwa

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych

Czujniki

Czujnik pomiarowy zwany tak

ż

e przetwornikiem wielko

ś

ci:

jest to element pomiarowy realizuj

ą

cy operacj

ę

odbioru informacji o stanie wielko

ś

ci lub

jej konkretnego parametru i przetworzenie odebranej informacji bez zmiany jej tre

ś

ci w

granicach bł

ę

du.

W zale

ż

no

ś

ci od rodzaju przetworzonych sygnałów wyj

ś

ciowych rozró

ż

nia si

ę

dwie

grupy rodzajów przetworników wielko

ś

ci:

• analogowe a/a dokonuj

ą

ce przetwarzania wielko

ś

ci mierzonej (fizycznej) na

inn

ą

wielko

ść

fizyczn

ą

dogodn

ą

do pomiaru lub dalszego przetwarzania,

• analogowo-dyskretne dokonuj

ą

ce przetwarzania wielko

ś

ci mierzonej

(fizycznej) na wielko

ść

fizyczn

ą

dyskretno-warto

ś

ciow

ą

np.: na proporcjonaln

ą

do warto

ś

ci mierzonej wielko

ś

ci liczb

ę

impulsów lub słowo binarne.

Laboratorium z Miernictwa

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych

Według natury sygnału wyj

ś

ciowego

przetworniki wielko

ś

ci mo

ż

na

podzieli

ć

na:

• mechaniczne,

• optyczne,

• elektryczne, itd.

W pomiarach wielko

ś

ci mechanicznych najszersze

zastosowanie zyskały przetworniki wielko

ś

ci, których sygnał

wyj

ś

ciowy ma charakter elektryczny, najcz

ęś

ciej napi

ę

cie.