Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Aplikace kovových tenzometrů v technické praxi
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.
Nomenklatura: Automatizace, regulace

Aplikace kovových tenzometrů v technické praxi

Tenzometry se spojují tenkou vrstvou speciálního tmelu přímo s objektem, u kterého se provádí měření mechanických deformací, anebo jsou součástí snímačů. Jejich přesnost závisí na kvalitě tenzometrů, vlastnostech lepidla spojujícího tenzometr s měřicím členem snímače a na vlastnostech měřicího členu. Nejvyšší přesností se vyznačují snímače používané k vážení.

Kovové tenzometry jsou senzory měřící ve směru své mřížky povrchovou mechanickou deformaci objektu v místě, ke kterému jsou přitmeleny. Využívají se k měření deformačních polí celých konstrukcí a deformací strojních součástí s cílem optimalizovat jejich dimenzování. Kovové tenzometry jsou také využívány ve snímačích, kde mechanická deformace je mírou měřené fyzikální veličiny. Při současném rychlém zdokonalování strojírenských výrobků se aktuálnost obou hlavních aplikací zvyšuje. To by mělo platit i v našem průmyslovém výzkumu.

Princip a hlavní technické a metrologické parametry

Kovové tenzometry mají mřížky různých tvarů vinuté buď z konstantanového drátku o průměru 0,01 až 0,02 mm, nebo nyní častěji leptané z konstantanové fólie o tloušťce např. 0,004 mm. Tvar mřížky souvisí se specifikem použití. Tenzometry jsou velmi tenkou vrstvou tmelu s minimálním prokluzem a vysokým izolačním odporem (řádově 1010 ohmů) spojeny s měřeným objektem. Při deformaci článků měřicí mřížky tenzometru v tahu nebo v tlaku dochází ke změně velikosti jejich průřezu dl/l, a tedy i ke změně jejich odporu dR/R. Ta je u většiny kovů v rozsahu platnosti Hookova zákona lineární. Platí:
dR/R = k.dl/l,
kde k = 2,1 je součinitel deformační citlivosti konstantanu. Elektrický odpor kovových tenzometrů podle velikosti a tvaru mřížky vychází v rozmezí 120 až 1000 ohmů. Vedle konstantanu se pro výrobu tenzometrů využívají i další slitiny. Teplotní součinitel elektrického odporu konstantanu 5.10-5 °C-1 je minimální.
Funkce lepidla je ideální, přenáší-li po celé funkční délce tenzometru trvale a věrně povrchovou deformaci zkoumaného objektu na mřížku tenzometru a vytváří-li dostatečný izolační odpor mezi vývody tenzometru a zatěžovaným materiálem. Lepidla patří k tuhým kapalinám, neřídí se Hookeovým zákonem a k jejich charakteristikám patří tečení. Výrobci tenzometrů vyrábějí lepidla, jejichž tečení je minimální a neomezuje přesnost měření. Uživatelům poskytují návody k lepení.
Tento výklad objasňuje princip funkce tenzometrů. K dosažení dlouhodobě přesné úměrnosti mezi měřenou deformací a výstupním elektrickým signálem z tenzometru je třeba minimalizovat či zcela eliminovat řadu rušivých nelineárních fyzikálních jevů experimentálně ověřenými technologickými postupy instalace tenzometrů a využitím elektroniky, což má smysl především při aplikacích kovových tenzometrů ve snímačích.

Měření deformací mechanických konstrukcí a jejich částí

Využití tenzometrů v této oblasti může být demonstrováno na příkladech z vývoje letadel. Podobné je v podstatně menší míře i u dalších strojírenských výrobků. Skutečné namáhání mechanické konstrukce letadla nelze získat s dostatečnou přesností výpočtem vzhledem k více neznámým faktorům, které jej ovlivňují. Přitom požadavky na bezpečnost provozu, letové vlastnosti a na celkovou hmotnost letadel a tím i na jejich energetickou náročnost nutí výrobce hledat taková řešení, aby dostatečné provozní spolehlivosti v době plánované životnosti bylo dosaženo optimální konstrukcí letadla s využitím nejvhodnějších materiálů. Smysl úlohy se desítky let nemění. Jen prostředky k jejímu řešení se zdokonalují. K dispozici jsou nyní vynikající konstrukční materiály, konstrukce se dimenzují s podporou velmi výkonné výpočetní techniky a jistotu bezpečnosti provozu spolehlivě prokazují náročné experimenty.
Právě v leteckém průmyslu, kde na bezpečnosti provozu závisí lidské životy, se rozložení mechanické napjatosti konstrukce dopravního letadla měří současně až 10 000 i více tenzometry při normálních i mezních provozních podmínkách z větší části už simulovaných na zemi. Tato měření jsou v jednotlivých místech uskutečňována zpravidla v půlmůstkovém zapojení s jedním referenčním tenzometrem například pro 50 měřicích tenzometrů. I výzkum a vývoj soudobých leteckých pohonných jednotek o velkém výkonu a stále snižované hmotnosti je provázen náročnými experimenty s využitím speciálních tmelů a tenzometrů, které měří např. rozložení mechanické napjatosti po délce lopatky proudového motoru za provozu ve zkušebně, tedy při teplotě až 1000 °C a otáčkách 30 000 min-1, při kterých se kontaktními kroužky ve rtuťové lázni přenášejí měřicí signály na stacionární bod bez rušivého zkreslení.
Různé experimenty s tenzometry při vývoji méně složitých strojírenských výrobků, např. automobilů, autobusů, zemních strojů, ale i jízdních kol, jsou podstatně jednodušší, avšak jejich účel je podobný. Měření mechanické deformace kovovými tenzometry se uskutečňují s chybami 1 až 3 % vztaženými k měřené veličině.

Snímače s kovovými tenzometry

Kovové tenzometry jsou využívány k měření těch fyzikálních veličin, jejichž působení lze transformovat na měření mechanické deformace. V konkurenci dalších měřicích principů (kapacitních, indukčních, induktivních, laseru) se prokázalo využívání kovových tenzometrů z hlediska přesnosti ve snímačích sil a tlaků statických a kvazistatických průběhů a k měření poměrné deformace zkušebních vzorků materiálů tzv. extenzometrem jako optimální.
Tenzometry jsou ve snímačích v celomůstkovém zapojení doplněném kompenzačními prvky napájeny konstantním stejnosměrným či střídavým proudem. Metrologické charakteristiky přesných snímačů jsou zpravidla posuzovány podle sloučené chyby δS zahrnující chybu linearity δL, chybu hystereze δH a chybu reprodukovatelnosti δR. U velmi přesných statických měření však v současné době zpravidla dominuje chyba tečení δt , určená změnou jmenovitého měřicího signálu při konstantním zatížení a konstantních okolních podmínkách. U nejpřesnějších snímačů zatížení δt . 30 min-1 = 0,01 % jmenovitého rozsahu měření. Při větších změnách teploty je třeba uvažovat chybu nulové hodnoty měřicího signálu δT0 a chybu jmenovité hodnoty měřicího signálu δTK. Nejvyšší přesnosti měření v sériové produkci je dosahováno u snímačů zatížení určených pro vážení. Světové špičkové firmy dodávají tyto snímače se sloučenou chybou menší než 0,02 ÷ 0,01 % v rozsahu teplot -20 až +40 °C. Jejich metrologické vlastnosti záleží na kvalitě tenzometrů, vlastnostech lepidla spojujícího tenzometr s měřicím členem snímače a na tvaru a vlastnostech materiálu měřicího členu, který má vykazovat minimální hysterezi, minimální tečení, minimální vnitřní pnutí po tepelném zpracování a stálost a izotropii modulu pružnosti v tahu lineárně závislého na teplotě i vysokou dynamickou pevnost a vysokou mez kluzu.

Dosahovaná přesnost měření v praxi

V technické praxi nelze stanovit obecný algoritmus postupu pro určení parametrů optimálního měřicího členu. Teorie pružnosti známá z odborné literatury využívá jistých zjednodušujících předpokladů. S těmito znalostmi lze dosáhnout sloučené chyby měření asi 0,1 %. Pro dosažení špičkové přesnosti je třeba tyto předpoklady doplnit analytickými a experimentálními studiemi vlivu efektů vyšších řádů. Jde o velmi náročnou, roky trvající experimentální činnost podpořenou velmi přesnou měřicí a kalibrační technikou umožňující ještě o řád snížit sloučenou chybu snímačů zatížení v rozsahu teplot -20 až +40 °C. Zachován zůstává dostatečně velký odstup měřicího signálu a signálu teplotního šumu (UŠUMU = 10-8 V). To jsou důvody, proč má know-how těchto snímačů vysokou cenu.
S výjimkou vážicí techniky nejsou na přesnost snímačů kladeny tak přísné požadavky. Ve strojírenství nejčastěji postačí měřit síly nebo tlaky statického či kvazistatického průběhu se sloučenou chybou, vztaženou k měřenému rozsahu, která nepřekročí 0,1 až 1 %. Kovové tenzometry umožňují konstruovat snímače i pro dynamická měření. Frekvenční rozsah měření je omezen vlastní frekvencí měřicího členu (jeho vysokou tuhostí). Jmenovitý rozsah poměrné deformace kovových tenzometrů pro přesná měření činí asi 0,8.10-3 dl/l, což u ocelí odpovídá mechanickému napětí 170 MPa. Zajímavé jsou aplikace tenzometrů v dalších oblastech, např. k měření síly odrazu sprintera od startovacích bloků nebo k měření síly v čelistech člověka při konzumaci různých druhů potravin.

Elektronika pro měření

Podle napájení tenzometrů jsou používány zesilovače stejnosměrné nebo s nosnou frekvencí. Jmenovitý měřicí signál ze snímače se čtyřmi aktivními tenzometry je asi 20 mV. Zesilovače jsou vybaveny analogovými či digitálními filtry pro potlačení šumu. AD převodníky pro statická měření mají zpravidla 105 až 106 kroků. Při měření na více místech jsou zesilovače řešeny jako vícekanálové nebo jsou vybaveny rychlými přepínači velmi malých signálů ovládanými mikroprocesory. Při rozsáhlých experimentech je měřicí proces řízen počítači. Zpracování dynamických signálů z tenzometrů je zpravidla prováděno s využitím metod statistického zpracování časově proměnných signálů náhodného či opakovaného charakteru zaměřených např. na hodnocení pevnostních charakteristik zkoumaného objektu.
Jiří Černohorský

Další články

Automatizace, regulace

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky

Sledujte nás na sociálních sítích: