Laboratorium z Miernictwa
Pomiar obcią\
enia
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn Laboratorium z Miernictwa
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Rodzaje przetworników stosowanych
do określenia obcią\
enia
" przetworniki siły i masy,
" przetworniki ciśnienia,
" przetworniki momentu,
" akcelerometry,
" inne.
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn Laboratorium z Miernictwa
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Czujniki siły i masy
mogą być stosowane do przetwarzania wymienionych wielkości fizycznych w torach
pomiarowych układów o dowolnym przeznaczeniu. Czujniki mogą być obcią\
ane siłami
ściskającymi lub rozciągającymi, statycznymi i dynamicznymi o wielkości odpowiedniej do typu i
zakresu przetwornika pomiarowego.
Czujniki składają się z łańcucha pomiarowego zawierającego element wprowadzający siłę,
mechanicznego korpusu odkształcalnego, przetwornika mechano-elektrycznego (tensometru,
elementu piezokwarcowego) przetwarzającego mechaniczne naprę\
enia w korpusie
odkształcalnym w elektrycznie mierzalne sygnały i następującego po nim wzmacniacza
elektrycznego opracowującego sygnał pomiarowy. Mnogość ró\
nych korpusów odkształcalnych
dostosowana jest do ró\
norodności zadań pomiarowych.
Sposób działania korpusów odkształcalnych mo\
na najlepiej przybli\
yć funkcjonowaniem
sprę\
yny giętkiej. Mierzona siła wytwarza miejscowe naprę\
enia i deformacje korpusu czujnika.
Dla zapobie\
enia nieliniowościom odkształcenia korpusu minimalizowane są konstrukcyjnie
(du\
a sztywność). Tak osiąga się daleko idącą proporcjonalność. W zale\
ności od aplikacji
stosuje się ró\
ne konstrukcje zale\
ne od zastosowanego kształtu korpusu i materiału. Niektóre
typowe korpusy to zginane sztaby, podwójne belki i czujniki membranowe.
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn Laboratorium z Miernictwa
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Przykłady czujników siły
Czujniki z prętem zginanym lub belką rys., są najtańsze ze względu na łatwą
konstrukcję.
Zakres rozciągania tych czujników jest stosunkowo mały i przez to konstrukcje te są
bardzo czułe na przemieszczanie punktu przyło\
enia siły. Czujniki belkowe są w
ogólności przeznaczone raczej do małych zakresów sił.
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn Laboratorium z Miernictwa
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Przykłady czujników siły  cd.
Daleko szerszy zakres uzyskuje się przy belce podwójnej rys. Obszary ściskania i
rozciągania są większe, co osiągnięto przez zrównoleglenie belek. Zasada ta stosowana
jest te\
w zmodyfikowanej postaci w U-kształtnych i S-kształtnych korpusach.
Jedną z zalet tej konstrukcji jest odporność na zakłócający wpływ punktu przyło\
enia siły.
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn Laboratorium z Miernictwa
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Przykłady czujników siły  cd.
Dla większych zakresów sił zamiast belki stosuje się konstrukcje, w których działają siły
ścinające (ze względu na większą sztywność).
Poprzez dwustronne wybranie materiału korpusu odkształceniowego uformowano
mostek, na który nakleja się tensometry. Przyło\
ona do przetwornika siła naprę\
a
mostek (ścina) i rozciąga lub ściska tensometr.
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn Laboratorium z Miernictwa
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Przykłady czujników siły  cd.
Ró\
norodność kształtu i sposobu mocowania
Bardzo wysoką dokładność osiąga się przy czujnikach
membranowych, gdy\
zoptymalizowany jest odstęp pomiędzy
punktem przyło\
enia siły, a zwielokrotnionym obszarem z
tensometrami. Taka wielokrotna belka pomiarowa w du\
ym
stopniu odporna jest na zakłócające sygnały, gdy\
sygnały z
pojedynczych komórek pomiarowych są uśredniane. Dla bardzo
du\
ych obcią\
eń stosuje się zamknięte oraz podzielone
membrany charakteryzujące się du\
ą sztywnością.
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn Laboratorium z Miernictwa
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Przykłady czujników siły  cd.
Czujniki do pomiaru obcią\
enia firmy Greer
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn Laboratorium z Miernictwa
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Przykłady czujników siły  cd.
Bezprzewodowy czujnik do
pomiaru obcią\
enia
Load Systems
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn Laboratorium z Miernictwa
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Przykłady czujników siły  cd.
Sworznie mierzące obcią\
enie
pracujące na ścinanie
umieszczane są w miejsce
normalnych elementów na
maszynie i u\
ywane do pomiaru
obcią\
enia i wykrywania
przecią\
eń.
Czujniki siły Magtrol
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn Laboratorium z Miernictwa
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Zainstalowanie czujników siły na maszynie
Czujnik siły zainstalowany na maszynie
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn Laboratorium z Miernictwa
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Czujniki ciśnienia
Czujniki ciśnienia  przeznaczone są do przetwarzania ciśnień cieczy,
par i gazów na sygnały elektryczne i mogą być stosowane w torach
pomiarowych układów mierzących, diagnostycznych i sterujących,
regulatorach i innych urządzeniach.
Czujniki ciśnienia składają się w podstawowej swej zabudowie z
korpusu pomiarowego z przyłączem ciśnienia, elementu
odkształcalnego (np. membrany pomiarowej) z przetwornikiem
mechano-elektrycznym oraz z elektronicznego wzmacniacza
pomiarowego.
Mechaniczna zabudowa korpusu czujnika ciśnienia jest zale\
na m.in.
od warunków otoczenia i zastosowanej technologii przetwornika
mechano-elektrycznego.
Najczęściej stosuje się przetworniki tensometryczne lub
piezokwarcowe.
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn Laboratorium z Miernictwa
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Czujniki ciśnienia
Czujniki ciśnienia z korpusem pomiarowym metalowym
i przetwornikiem tensometrycznym
Układ elektroniczny zawiera człony regulacyjne i kompensacyjne dla wyeliminowania
wpływów temperatury i dla osiągniącia symetrii mostka pomiarowego
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn Laboratorium z Miernictwa
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Przetworniki mechano-elektryczne
" tensometry,
" elementy piezoelekttryczne,
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn Laboratorium z Miernictwa
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Rodzaje tensometrów
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn Laboratorium z Miernictwa
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Rodzaje siatek tensometrów
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn Laboratorium z Miernictwa
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Rodzaje siatek tensometrów
Tensometry 1-osiowe Tensometry 2-osiowe Tensometry 3-osiowe Tensometry 4-osiowe
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn Laboratorium z Miernictwa
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Przykłady tensometrów
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn Laboratorium z Miernictwa
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Mostek tensometryczny
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn Laboratorium z Miernictwa
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Układ o jednym stopniu swobody
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn Laboratorium z Miernictwa
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Schemat układu pomiarowego
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn Laboratorium z Miernictwa
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Obliczenia sił
R = p1A1 - p2A2 - FT
p1, p2  ciśnienia w siłowniku, odpowiednio po stronie tłokowej i tłoczyskowej,
A1, A2  odpowiednie pola powierzchni czynnej siłownika
Ą D2 - d2
( )
ĄD2
A1 = ; A2 =
4 4
Dane: D=100 mm - średnica tłoka,
d=60 mm - średnica tłoczyska.
R = Rx2 + Ry2
Rx, Ry  składowe siły mierzonej przetwornikiem typu  load  pin
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn Laboratorium z Miernictwa
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Zadania do wykonania
" opracowanie schematu układu:
 układ mechaniczno  napędowy,
 układ elektryczno  pomiarowy,
 wykaz elementów,
" pomiar nast. wielkości:
 przemieszczenie siłownika,
 napięcie wyjściowe przetwornika kąta,
 ciśnienia w siłowniku wysięgnika,
 napięcia wyjściowe z przetwornika  load-pin .
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn Laboratorium z Miernictwa
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Zadania do wykonania
" obliczenie kąta pochylenia wysięgnika,
" obliczenie siły hydrostatycznej siłownika,
" obliczenie wypadkowej siły rejestrowanej
przetwornikiem  load-pin ,
" sporządzenie wykresów mierzonych i
obliczonych parametrów,
" sporządzenie charakterystyki siły w funkcji kąta
pochylenia wysięgnika przy podnoszeniu i
opuszczaniu (wykres z histerezą)
" wnioski
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn Laboratorium z Miernictwa
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Dodatki
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn Laboratorium z Miernictwa
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Czujniki
Czujnik pomiarowy zwany tak\
e przetwornikiem wielkości:
jest to element pomiarowy realizujący operację odbioru informacji o stanie wielkości lub
jej konkretnego parametru i przetworzenie odebranej informacji bez zmiany jej treści w
granicach błędu.
W zale\
ności od rodzaju przetworzonych sygnałów wyjściowych rozró\
nia się dwie
grupy rodzajów przetworników wielkości:
" analogowe a/a dokonujące przetwarzania wielkości mierzonej (fizycznej) na
inną wielkość fizyczną dogodną do pomiaru lub dalszego przetwarzania,
" analogowo-dyskretne dokonujące przetwarzania wielkości mierzonej
(fizycznej) na wielkość fizyczną dyskretno-wartościową np.: na proporcjonalną
do wartości mierzonej wielkości liczbę impulsów lub słowo binarne.
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn Laboratorium z Miernictwa
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych
Według natury sygnału wyjściowego
przetworniki wielkości mo\
na
podzielić na:
" mechaniczne,
" optyczne,
" elektryczne, itd.
W pomiarach wielkości mechanicznych najszersze
zastosowanie zyskały przetworniki wielkości, których sygnał
wyjściowy ma charakter elektryczny, najczęściej napięcie.
Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn Laboratorium z Miernictwa
Katedra Maszyn Roboczych i Systemów Transportowych