8.15 Методи та прилади для вимірювання

МЕХАНІЧНИХ ВЕЛИЧИН

Принцип вимірювань механічних величин оснований на відомих в механіці залежностях деформацій та напруг в матеріалі від сил та тиску. Ці залежності дозволяють встановити вид перетворювання механічної величини обрати тип перетворювача та вимірювального кола.

До механічних величин належать: деформація, механічна напруга, механічне зусилля, тиск, момент обертання, кутові швидкості, витрата рідини та газу, вібрація, прискорення, товщина покриття, лінійні пересування.

Розглянемо методи та прилади для вимірювання механічних величин більш детально: (див. таблицю 3).

Таблиця 3 – Методи та прилади для вимірювання механічних величин

Найменування механічної величини	Особливості вимірювання
Деформація, механічна напруга, зусилля та тиск	Первинний вимірювальний перетворювач: тензорезистор; Характеристика градуювання: залежність вхідної величини – механічна величина σ, від вихідної величини – активний опір тензорезистора R: , де ЕМ – модуль пружності матеріалу; SТ – чутливість тензорезистора. Схема вимірювання: Два тензорезистора вмикаються в два плеча мостової схеми. Це необхідно для збільшення чутливості схеми та її температурної стабілізації.
Механічна напруга, тиск та тягові зусилля	Первинний вимірювальний перетворювач: пружний елемент – пружне сталеве кільце, внутрішню поверхню якого наклеювані чотири тензорезистори R1…R4; Комплект таких елементів дозволяє вимірювати зусилля від 10^3 до 10^6 Н.

Продовження таблиці 3

Найменування механічної величини

Особливості вимірювання

Момент обертання

Первинний вимірювальний перетворювач: чотири тензорезистори; прилад має назву торсіометр. Характеристика градуювання: залежність вхідної величини – момент обертання МОб, від вихідної величини – активний опір тензорезисторів R. Схема наклеювання тензорезисторів на вал для перетворення монета обертання: Чотири тензорезистори наклеюються повздовж напрямку найбільших механічних напруг кручення, тобто під кутом 45^0 до осі вала. Для вимірювання моментів обертання використовуються мостові схеми саме з чотирма тензорезисторами, це дає змогу отримувати на виході моста потужний електричний сигнал та забезпечити повну температурну компенсацію зміни опору тензорезисторів. Структурна схема приладу для вимірювання моменту обертання:

Продовження таблиці 3

Найменування механічної величини	Особливості вимірювання
	де М – вимірювальний міст з тензорезисторами; ПС – пристрій струму; П - підсилювач; Ф – фільтр; П – вторинний вимірювальний прилад.
Товщина покриття	Первинний вимірювальний перетворювач: індуктивний перетворювач; Характеристика градуювання: залежність вхідної величини – товщина не магнітних покриттів, від вихідної величини – повний опір котушки; Схема вимірювання: де 1 – феромагнітний матеріал; 2 – гальванічне покриття; 3 – індуктивний перетворювач; 4 – вторинний вимірювальний прилад, шкала якого про градуйована в одиницях товщини. Принцип дії приладу: Полюси індуктивного перетворювача притискаються до об’єкту, товщину покриття якого слід виміряти. Зміна товщини покриття згідно поданого математичного взаємозв’язку призводить до

Продовження таблиці 3

Найменування механічної величини	Особливості вимірювання
	зміни повного опору індуктивного перетворювача: , де δ – товщина покриття, мм; RМ – магнітний опір котушки; μ – магнітна проникність котушки; L – індуктивність котушки; Z - повний опір котушки
Швидкість вібрації	Первинний вимірювальний перетворювач: індукційний перетворювач; Характеристика градуювання: залежність вхідної величини – швидкість вібрації об’єкту, від вихідної величини – ЕРС; Конструктивна схема перетворювача: де 1 – кільцевий магніт; 4 – котушка, яка приєднана до об’єкту, що зазнає вібраційні переміщення х (до декількох сантиметрів); Принцип дії приладу: ЕРС на затискачах такого індукційного перетворювача змінюється за законом переміщення його котушки. Слід відзначити, що магнітний потік є величиною постійною у тій частині котушка, яка знаходиться між по-

Продовження таблиці 3

Найменування механічної величини	Особливості вимірювання
	сами магніту, тому то ЕРС у цієї частини не виникає. Частина котушки, яка знаходиться зовні полюсів магніту, пронизується тим же магнітним потоком, але змінилася кількість витків котушки, як наслідок, змінюється величина ЕРС, яка й пропорційна швидкості вібрації.
Кутова швидкість обертання вала	Прилад - тахометр, принцип дії якого перетворення оборотів вала основане на взаємодії магнітного поля магнітів, що обертаються, з індукційними струмами, які наведені цим полем в чутливому елементі. При обертанні вала тахометра 1 через конічні шестерні 2 та 3 отримує обертання магнітний вузол 4. Виникає магнітне поле, що обертається, яке генерує в чутливому елементі 5 вихрові струми. В результаті взаємодії магнітного поля магнітів з індукційними струмами в чутливому елементі створюється момент обертання. Йому протидіє протидіючий момент, який створюється спіральною пружиною 6, яка закріплена на осі. Коли момент обертання стане рівним протидіючому моменту, стрілочний покажчик 7 зупиниться та надасть візуальну інформацію щодо обертів вала об’єкту. Для підвищення сталого положення покажчика призначений демпферний вузол 8 тахометра. Вузол складається з магнітів 8.1 та алюмінієвого диску 8.2. При обертанні усієї рухомої частини тахометра магнітний потік від магнітів 8.1 наводить в диску 8.2 вихрові струми, в результаті взаємодії яких з магнітним потоком виникає

Продовження таблиці 3

Найменування механічної величини	Особливості вимірювання
	тормозний момент, який надає стрілочному покажчику стале положення на шкалі.
Товщина діелектричної стрічки	Первинний вимірювальний перетворювач: ємнісний перетворювач (плоский конденсатор), між нерухомими обкладинками якого рухається діелектрична резинова стрічка. Конструктивна схема перетворювача: 1 – конденсатор; 2 - ролики, що обертаються; 3 – діелектрична стрічка; dК – відстань між обкладинками;dС - товщина стрічки. Ємнісний перетворювач умовно можна представити, як два послідовно включених конденсаторів, ємність яких СС (ємність конденсатора зі стрічкою) та СП (ємність повітряного конденсатора). Загальна ємність буде дорівнювати: , де S – площа обкладинок конденсатора. Особливість такого ємнісного перетворювача – це добуток . Тому то прилад працює тільки тоді, коли діелектрична проникність стрічки буде постійною, так як ця величина залежить, наприклад, від вологості

Продовження таблиці 3

Найменування механічної величини

Особливості вимірювання

Вібрація об’єкту

Первинний вимірювальний перетворювач: чутлива мембрана Конструктивна схема перетворювача: 1 – об’єкт вібрації; 2 – повітряний зазор; 3 – дно корпусу; 4 – осердя; 5 – полюс постійного магніту; 6 - котушка; 7 – чутлива мембрана Принцип дії приладу: За допомогою чутливого елемента механічна енергія об’єкту, на який діє вібрація, перетворюється в електричний сигнал, який після підсилення, надає живлення на реле, яке вмикається до кіл сигналізації та управління. Механічні коливання об’єкту передаються мембрані, в результаті чого повітряний зазор між нею та осердям котушки змінюється. Зміна зазору призводить до збільшення або зменшення величини магнітного потоку постійних магнітів. Як наслідок, в котушці наводиться ЕРС, величина якої пропорційна величині частоти коливань об’єкту при вібрації.

Продовження таблиці 3

Найменування механічної величини

Особливості вимірювання

Швидкість повітря (газу)

Первинний вимірювальний перетворювач: Платинова проволока, яка приєднана до манганінових стрижнів, які змонтовані на ручці. Проволока через проводи включена до електричного кола, та нагрівається електричним струмом від джерела. Прилад має назвутермоанемометр Конструктивна схема перетворювача: 1 – платинова проволока; 2 – манганінові стрижні; 3 – ручка; 4 – проводи живлення; Фізичні явища, що покладені в основу принципу дії: Прилад складається з перетворювачів, які вмикаються послідовно за схемою: 1 – нагріта проволока, яка перетворює швидкість повітря ν в зміну температури t; 2 – таж сама проволока, яка виконує функцію термометра опору та перетворює зміну температури в зміну опору R; 3 - електричне коло, яке перетворює зміну опору в зміну сили струму I ; 4 - вимірювальний механізм, який перетворює зміну струму в зміну відхилення стрілочного покажчика вимірювального приладу, шкала якого має одиниці вимірювання швидкості повітря