Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Laboratorium z Miernictwa
Pomiar obci
ąŜ
enia
Laboratorium z Miernictwa
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Laboratorium z Miernictwa
Pomiar obci
ąŜ
enia
Laboratorium z Miernictwa
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Laboratorium z Miernictwa
Rodzaje przetworników stosowanych
do okre
ś
lenia obci
ąŜ
enia
• przetworniki siły i masy,
• przetworniki ci
ś
nienia,
• przetworniki momentu,
• akcelerometry,
• inne.
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Laboratorium z Miernictwa
Czujniki siły i masy
mog
ą
by
ć
stosowane do przetwarzania wymienionych wielko
ś
ci fizycznych w torach
pomiarowych uk
ł
adów o dowolnym przeznaczeniu. Czujniki mog
ą
by
ć
obci
ąŜ
ane si
ł
ami
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 sk
ł
adaj
ą
si
ę
z
ł
a
ń
cucha pomiarowego zawieraj
ą
cego element wprowadzaj
ą
cy si
łę
,
mechanicznego korpusu odkszta
ł
calnego, przetwornika mechano-elektrycznego (tensometru,
elementu
piezokwarcowego)
przetwarzaj
ą
cego
mechaniczne
napr
ęŜ
enia
w
korpusie
odkszta
ł
calnym w elektrycznie mierzalne sygna
ł
y i nast
ę
puj
ą
cego po nim wzmacniacza
elektrycznego opracowuj
ą
cego sygna
ł
pomiarowy. Mnogo
ść
ró
Ŝ
nych korpusów odkszta
ł
calnych
dostosowana jest do ró
Ŝ
norodno
ś
ci zada
ń
pomiarowych.
Sposób dzia
ł
ania korpusów odkszta
ł
calnych mo
Ŝ
na najlepiej przybli
Ŝ
y
ć
funkcjonowaniem
spr
ęŜ
yny gi
ę
tkiej. Mierzona si
ł
a wytwarza miejscowe napr
ęŜ
enia i deformacje korpusu czujnika.
Dla zapobie
Ŝ
enia nieliniowo
ś
ciom odkszta
ł
cenia korpusu minimalizowane s
ą
konstrukcyjnie
(du
Ŝ
a sztywno
ść
). Tak osi
ą
ga si
ę
daleko id
ą
c
ą
proporcjonalno
ść
. W zale
Ŝ
no
ś
ci od aplikacji
stosuje si
ę
ró
Ŝ
ne konstrukcje zale
Ŝ
ne od zastosowanego kszta
ł
tu korpusu i materia
ł
u. Niektóre
typowe korpusy to zginane sztaby, podwójne belki i czujniki membranowe.
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Laboratorium z Miernictwa
Przykłady czujników siły
Czujniki z pr
ę
tem zginanym lub belk
ą
rys., s
ą
najta
ń
sze ze wzgl
ę
du na
ł
atw
ą
konstrukcj
ę
.
Zakres rozci
ą
gania tych czujników jest stosunkowo ma
ł
y i przez to konstrukcje te s
ą
bardzo czu
ł
e na przemieszczanie punktu przy
ł
o
Ŝ
enia si
ł
y. Czujniki belkowe s
ą
w
ogólno
ś
ci przeznaczone raczej do ma
ł
ych zakresów si
ł
.
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Laboratorium z Miernictwa
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
Ŝ
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
Ŝ
enia siły.
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Laboratorium z Miernictwa
Dla wi
ę
kszych zakresów si
ł
zamiast belki stosuje si
ę
konstrukcje, w których dzia
ł
aj
ą
si
ł
y
ś
cinaj
ą
ce (ze wzgl
ę
du na wi
ę
ksz
ą
sztywno
ść
).
Poprzez dwustronne wybranie materia
ł
u korpusu odkszta
ł
ceniowego uformowano
mostek, na który nakleja si
ę
tensometry. Przy
ł
o
Ŝ
ona do przetwornika si
ł
a napr
ęŜ
a
mostek (
ś
cina) i rozci
ą
ga lub
ś
ciska tensometr.
Przyk
ł
ady czujników si
ł
y – cd.
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Laboratorium z Miernictwa
Bardzo wysok
ą
dok
ł
adno
ść
osi
ą
ga si
ę
przy czujnikach
membranowych, gdy
Ŝ
zoptymalizowany jest odst
ę
p pomi
ę
dzy
punktem przy
ł
o
Ŝ
enia si
ł
y, a zwielokrotnionym obszarem z
tensometrami. Taka wielokrotna belka pomiarowa w du
Ŝ
ym
stopniu odporna jest na zak
ł
ócaj
ą
ce sygna
ł
y, gdy
Ŝ
sygna
ł
y z
pojedynczych komórek pomiarowych s
ą
u
ś
redniane. Dla bardzo
du
Ŝ
ych obci
ąŜ
e
ń
stosuje si
ę
zamkni
ę
te oraz podzielone
membrany charakteryzuj
ą
ce si
ę
du
Ŝą
sztywno
ś
ci
ą
.
Przyk
ł
ady czujników si
ł
y – cd.
Ró
Ŝ
norodno
ść
kształtu i sposobu mocowania
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Laboratorium z Miernictwa
Przykłady czujników siły – cd.
Czujniki do pomiaru obci
ąŜ
enia firmy Greer
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Laboratorium z Miernictwa
Przykłady czujników siły – cd.
Bezprzewodowy czujnik do
pomiaru obci
ąŜ
enia
Load Systems
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Laboratorium z Miernictwa
Przykłady czujników siły – cd.
Czujniki siły Magtrol
Sworznie mierz
ą
ce obci
ąŜ
enie
pracuj
ą
ce na
ś
cinanie
umieszczane s
ą
w miejsce
normalnych elementów na
maszynie i u
Ŝ
ywane do pomiaru
obci
ąŜ
enia i wykrywania
przeci
ąŜ
e
ń
.
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Laboratorium z Miernictwa
Zainstalowanie czujników siły na maszynie
Czujnik siły zainstalowany na maszynie
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Laboratorium z Miernictwa
Czujniki ci
ś
nienia
Czujniki ci
ś
nienia – przeznaczone s
ą
do przetwarzania ci
ś
nie
ń
cieczy,
par i gazów na sygna
ł
y elektryczne i mog
ą
by
ć
stosowane w torach
pomiarowych uk
ł
adów 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
Ŝ
na m.in.
od warunków otoczenia i zastosowanej technologii przetwornika
mechano-elektrycznego.
Najcz
ęś
ciej
stosuje
si
ę
przetworniki
tensometryczne
lub
piezokwarcowe.
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Laboratorium z Miernictwa
Czujniki ci
ś
nienia
Czujniki ci
ś
nienia z korpusem pomiarowym metalowym
i przetwornikiem tensometrycznym
Uk
ł
ad elektroniczny zawiera cz
ł
ony regulacyjne i kompensacyjne dla wyeliminowania
wp
ł
ywów temperatury i dla osi
ą
gni
ą
cia symetrii mostka pomiarowego
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Laboratorium z Miernictwa
Przetworniki mechano-elektryczne
• tensometry,
• elementy piezoelekttryczne,
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Laboratorium z Miernictwa
Rodzaje tensometrów
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Laboratorium z Miernictwa
Rodzaje siatek tensometrów
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Laboratorium z Miernictwa
Rodzaje siatek tensometrów
Tensometry 4-osiowe
Tensometry 3-osiowe
Tensometry 2-osiowe
Tensometry 1-osiowe
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Laboratorium z Miernictwa
Przykłady tensometrów
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Laboratorium z Miernictwa
Mostek tensometryczny
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Laboratorium z Miernictwa
Układ o jednym stopniu swobody
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Laboratorium z Miernictwa
Schemat układu pomiarowego
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Laboratorium z Miernictwa
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.
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Laboratorium z Miernictwa
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”.
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Laboratorium z Miernictwa
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
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Laboratorium z Miernictwa
Dodatki
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Laboratorium z Miernictwa
Czujniki
Czujnik pomiarowy zwany tak
Ŝ
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
Ŝ
no
ś
ci od rodzaju przetworzonych sygnałów wyj
ś
ciowych rozró
Ŝ
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.
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Laboratorium z Miernictwa
Według natury sygnału wyj
ś
ciowego
przetworniki wielko
ś
ci mo
Ŝ
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.