Měřicí technika mechanických veličin s kovovými tenzometry

Kovové tenzometry v provedení konstantanové mřížky napájené stejnosměrným nebo střídavým proudem mění ohmický odpor v závislosti na povrchové deformaci objektu ve směru vláken mřížky tenzometru. Tenzometr je s objektem spojen velmi tenkou vrstvou tmelu vytvářející dostatečný izolační odpor (přibližně 10¹⁰ ?). Tmely se však neřídí Hookeovým zákonem a jejich charakteristickou veličinou omezující použití je tečení. Používané tmely, nejčastěji na bázi epoxydové pryskyřice, tedy mohou být zdrojem dominantní chyby měření. U kovových tenzometrů je zajištěn dostatečný odstup měřicího signálu a šumu (U_šum = 10^-8 V).Základní vztah charakterizující funkci tenzometru je dR/R = k.dl/l.

Součinitel deformační citlivosti k závisí na materiálu tenzometru. Pro konstantan k = 2,1. Velikost relativní změny odporu tenzometru R o dR v závislosti na poměrné deformaci dl/l měřeného objektu je určena konstrukčním provedením, materiálem a tvarem tenzometru. Tenzometry pro přesná měření jsou zapojovány do můstkových obvodů. Měřicí systémy s tenzometry jsou vybaveny zdrojem napájecího proudu a měřicí elektronikou až po měřicí ústředny a aktuální software.

Měřicí mřížky kovových tenzometrů jsou v současné době jen výjimečně vinuty z konstantanového drátku o průměru cca 10^-2 , častěji jsou leptány z konstantanové fólie na tloušťku cca 10^-3 mm a přitmeleny k papírové podložce. Tato technologie umožňuje lépe vystihnout požadovaný tvar mřížky tenzometru a hromadná produkce u výrobce je rychlejší a levnější. Elektrický odpor kovových tenzometrů je 120 až 600 ?, výjimečně i vyšší. Přesnost měření pozitivně ovlivňuje nízký teplotní součinitel elektrického odporu konstantanu 5.10^-6.Vedle tenzometrů pro měření povrchové deformace v tahu a v tlaku v určeném směru jsou vyráběny tenzometry s mřížkami vzájemně pootočenými o 45°, určené k měření torzní povrchové deformace (například u hřídelí zatěžovaných krouticím momentem). Pro měření hlavního vektoru povrchové deformace v neznámé rovině napjatosti se používají tzv. rozety složené nejčastěji ze dvou tenzometrů vzájemně pootočených o 90°. Pro řadu aplikací je důležitý přípustný rozsah zatížení tenzometrů, při kterém zůstávají v platnosti metrologická data uváděná výrobcem a nedochází k jejich nevratným změnám. Nejčastěji je uváděn rozsah teplot od -30 do +40 °C. Existují však i senzory s kovovými tenzometry speciálního provedení, měřící v rozsahu -20 až 220 °C. Dosahovanou přesnost můžeme charakterizovat sloučenou chybou, která zahrnuje vliv nelinearity kalibrační závislosti a hystereze. Tato chyba je u nejpřesnějších snímačů 0,01 % jmenovitého měřicího signálu U_n, u běžně dodávaných snímačů 0,02 až 0,5 % U_n. Reprodukovatelnost, tedy maximální rozdíl mezi hodnotami výstupního signálu při opakovaném zatížení za stejných podmínek, činí u nejpřesnějších senzorů nejvýše 0,01 % U_n. Velmi přesné senzory hmotnosti pro obchodní vážení jsou vybaveny digitální elektronikou, jejichž kalibrace se děje např. v rozsahu 6000 dílků.

Únavová životnost tenzometrů se pohybuje v rozmezí 10⁶ až 10⁷ zatěžovacích cyklů. Nejrozsáhlejší měření s kovovými tenzometry jsou prováděna v leteckém a automobilovém průmyslu. Například při vývoji letounu Concorde koncem šedesátých let byla za letu měřena data statickodynamického zatížení z téměř 1000 tenzometrů. Měřicí signály byly telemetricky přeneseny k Zemi a off-line číslicově zpracovány. Při statických pozemních zkouškách dopravních letadel je současně měřeno mechanické namáhání až 10 000 tenzometry. Moderní počítačová technika a elektronika umožňují s vyhovující rychlostí zesilovat signály z tenzometrů a měřit je bez působení nepříznivých vlivů.Pro měření statickodynamických namáhání mechanických konstrukcí automobilů a jejich částí je současně používáno až 1000 tenzometrů. Při těchto měřeních je větší počet aktivních (měřicích) tenzometrů přepínán do jednoho můstkového obvodu. Použití kovových tenzometrů k měření mechanických namáhání součástí různých strojů je často užitečné při jejich montáži.Kovové tenzometry jsou využívány v senzorech pro měření statických, kvazistatických nebo dynamických průběhů měřených veličin, například hmotnosti, síly, tlaku, krouticího momentu, parametrů kmitavého pohybu a povrchové deformace (měřené extenzometry), tedy v nejrozšířenější kategorii senzorů mechanických veličin. Kupříkladu v rozsahu teplot -10 až +40 °C je u dokonalých senzorů zatížení s kovovými tenzometry celková chyba vztažená ke jmenovité hodnotě zatížení menší než 10^-1 %.Nevýhody kovových tenzometrů spočívající v jejich relativně malé citlivosti (šedesátkrát citlivější jsou tenzometry křemíkové) jsou vyrovnávány jejich přednostmi. Především tím, že vykazují stejně velké elektrické parametry a stejnou závislost na teplotě. Pokroky v elektronice zvýšily přesnost měření signálů z tenzometrů a neovlivňují je ani v řádu 10^-5 V.

Nejrozšířenější využití senzorů s kovovými tenzometry je v přesné vážicí technice používané v obchodním vážení. Ve světě jsou vyráběny senzory se jmenovitým zatížením v rozsahu 5 kg až 500 t. Vedle obchodního vážení jsou senzory s kovovými tenzometry používány i pro nejnáročnější fyzikální měření a měření v lékařství. V posledních desetiletích jsou využívány přesné vážicí systémy i v logistice. Příkladem je výroba sypkých hmot, která nemusí být jen záležitostí technologickou, ale i záležitostí logistiky sledující například možnosti přepravy sypkých hmot k jednotlivým zákazníkům, jakož i finančního postavení vyrábějícího podniku, které může být jedním z činitelů řídících rychlost výroby. Vysoká přesnost senzorů pro vážení vyžaduje velmi náročná kalibrační zařízení umístěná často v rozsáhlých prostorech s klimatizací teploty zahrnující chybu menší než 10^-1 stupně Celsia.Protože v mechanické technologii i v teorii pružnosti se často používá zjednodušujících předpokladů, jsou běžné postupy uváděné v učebnicích nedostačující pro optimální konstruování měrných členů senzorů. Je třeba je doplnit výsledky studia analytických a experimentálních efektů vyšších řádů. Vytvoření těch nejpřesnějších senzorů vyžaduje určitou tradici řešitelských týmů, kterým se po mnoha experimentech a teoretických řešeních měrného členu senzoru daří stanovit jeho optimální konstrukci z hlediska přesnosti měření, únavové životnosti i z hlediska výrobních nákladů. Zajímavá je skutečnost, že jedna z největších světových firem produkujících zařízení pro elektrická měření mechanických veličin s kovovými tenzometry, Hottinger Baldwin Messtechnik (HBM) se sídlem Darmstadtu, začíná znovu vystavovat na Mezinárodním strojírenském veletrhu v Brně.

Ing. Jiří Černohorský, DrSc.

cernohorsky.jiri@gmail.com