Experimentln metody v oboru ODPOROV TENZOMETRIE Teze pednek
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE Teze přednášek z předmětu „Technický experiment“ © Zdeněk Folta - verze 2015 -09 -19 /47
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE Princip Odporový tenzometr je tvořen drátky stočené do plochého útvaru a nalepen na měřený povrch. Při deformaci povrchu se deformují (protahují či zkracují) i drátky a tím se mění jejich odpor. Měřením této změny odporu DR můžeme usuzovat o velikosti deformace povrchu e a následně o vzniklé napjatosti v materiálu s. /47
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE Drátkový odporový tenzometr byl vynalezen v USA v roce 1938. Jeho aktivní část je tvořena odporovým drátkem průměru 0, 02 mm až 0, 01 mm na nosné podložce, tloušťky kolem 0, 02 mm, zhotovované z počátku z cigaretového papíru, prosyceného nitrocelulosovým lepidlem, vytvrzujícím odpařením rozpouštědla. Od padesátých let se podložky zhotovují ze skelné tkaniny 0, 02 mm, prosycené chemicky vytvrzujícími lepidly, nejčastěji epoxidy. /47
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE Fóliový odporový tenzometr V roce 1952 se začaly vyrábět foliové odporové tenzometry, a to fotochemicky vyleptáváním mřížky z kovových folií tloušťky 0, 005 mm až 0, 003 mm. Příznivější poměr přilepené plochy mřížky k jejímu průřezu zajišťuje účinnější odvod tepla vznikajícího odporovým ohřevem, takže jimi může procházet větší proud a tedy poskytují vyšší výstupní signál. /47
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE Jednoduchý tenzometr Měří poměrné prodloužení ve směru vinutí Základní typ pro jakékoliv použití Délka vinutí 0, 6. . . 150 mm Odpor obvykle 120, 350 nebo 1000 Ω Zanedbatelná příčná citlivost /47
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE Výhody tenzometrie ü přímé měření napjatosti na konkrétním místě povrchu součásti ü nedestruktivní obvykle bez nutnosti konstrukčních úprav /47
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE /47 l Dl Při deformaci povrchu tělesa s nalepeným tenzometrem vzniká poměrné prodloužení
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE Odpor tenzometru § l. . . délka vodiče [m] § S. . . průřez vodiče [mm 2] § r. . . měrný odpor [ m] (=[ m 2 m-1]) Změna odporu s deformací tenzometru § prodloužení délky vodiče l [m] o Dl § zmenšení průřezu S [mm 2] vodiče příčnou kontrakcí o DS § změna měrného odporu r [ m 2 m-1] /47
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE Konstanta tenzometru Pro kovové tenzometry neboli: /47
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE Změna odporu s deformací Předpokládejme, že měříme na předmětu z materiálu 11600 který je namáhán na polovinu meze kluzu Re. Pro tenzometr s R = 120 a k = 2, 00: Odpor se tedy změní z R = 120, 00 na R = 120, 171 , tedy o 0, 143 %. 10/47
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE Přímé měření odporu Odpor se tedy změní z R = 120, 00 na R = 120, 171 Rozsah stupnice 4 digity: Odečet = 120, 0 nebo 120, 1 Ω Přesnost odečtení = ± 0, 1 Ω Chyba pro 0, 171 Ω = ± 59 % Rozsah stupnice 5 digitů: Odečet = 120, 16 nebo 120, 17 Ω Přesnost odečtení = ± 0, 01 Ω Chyba pro 0, 171 Ω = ± 5, 9 % 11/47
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE Wheatstonův můstek Bylo by dobré, abychom neměřili R = 120, 00 na R = 120, 171 ale jen změnu odporu R = 0, 00 na R = 0, 171 12/47
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE Proud v jedné větvi můstku: Proud protéká každým z odporů v této větvi, takže napětí na odporu U 2: analogicky pro druhou větev mostu: 13/47
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE Základní vztah pro výpočet napětí na měřicí diagonále: 14/47
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE Jaké je měřicí napětí na diagonále při již řešeném případu, tedy napětí na úrovni s = 150 MPa : R 1 = 120, 17 (jeden aktivní) R 2 = R 3 = R 4 = 120 Un = 5 V Při změně odporu R 1 z 120, 00 na 120, 17 se změní napětí Um z 0, 00000 na 0, 00177 V (po zesílení 1000 x z 0, 00 na 1, 77 V) 15/47
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE a pro 4 aktivní tenzometry: R 1 = R 3 = 120, 17 (+) R 2 = R 4 = 119, 83 (-) Un = 5 V Při změně odporu R 1 z 120, 00 na 120, 17 se změní napětí Um z 0, 00000 na 0, 00708 V (po zesílení 1000 x z 0, 00 na 7, 08 V) 16/47
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE Vliv měřicího přístroje 17/47
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE Vliv měřicího přístroje na příkladu výpočtu Bez R 5. . . Um = 0, 00177 V Pro R 5 = 1· 103 Ώ. . . U´m = 0, 00158 V = 89, 3 % Um = chyba 10, 7 % Pro R 5 = 1 · 106 Ώ : U´´m = 0, 0017694 V = 99, 98 % Um = chyba 0, 02 % 18/47
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE Změna odporu vodiče s teplotou Konstantan je slitina mědi a niklu v poměru obvykle 55 % mědi a 45 % niklu. 19/47
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE Změna odporu tenzometru HBM s teplotou (falešná změna indikovaného poměrného prodloužení v mikrometrech na milimetr (mm/mm) = mikrostrain ) 20/47
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE Změna odporu tenzometru 21/47
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE Předchozí graf v reprezentaci změny napjatosti 22/47
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE Měření napjatosti: plný most, jeden aktivní tenzometr Tenzometr měří pouze relativní změnu poměrného prodloužení na povrchu na kterém je nalepen a to pouze ve směru svého vinutí. Při měření jedním tenzometrem se tento „aktivní“ tenzometr zapojí do mostu, ve kterém jsou ostatní odpory tvořeny stejnými tenzometry, které jsou nalepeny na stejném materiálu a ve stejné teplotní oblasti, ale nejsou deformovány. Nazýváme je „kompenzační“. 23/47
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE 24/47 R 1 U+ Um U+ R 4 Um Um U- Um R 3 U- R 2
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE Měření napjatosti: plný most, jeden aktivní tenzometr Aktivní: U+ Ostatní: Nevýznamné, lze zanedbat U- 25/47
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE Měření napjatosti: plný most, jeden aktivní tenzometr 26/47
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE Měření napjatosti: plný most, jeden aktivní tenzometr Jednotky používané pro vyjádření poměrného prodloužení e. . . [m/m] = [mm/mm] e ∙ 1 000. . . [mm/m = ‰] e ∙ 1 000. . . [mm/m = mikrostrain] 27/47
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE Měření napjatosti – půlmost Předchozí způsob zapojení je drahý (moc tenzometrů). Proto se používá tzv. „půlmost“, kdy tenzometry R 2 a R 3 (dle schématu) se nahradí pevnými odpory, které jsou často součástí tenzometrického zesilovače. Do zesilovače pak vedou jen tři vodiče. V případech, kdy není nutná teplotní kompenzace je možno nahradit odporem i R 4. 28/47
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE 29/47 Měření napjatosti – půlmost R 1 Um Um U+ U+ Um Um U- R 4
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE Mechanické napětí s Tenzometrické aparatury obvykle mají zesílení 1000 x [= m. V/V] a je upraveno podle napájecího napětí tak aby matematicky Un = 1 V. Proto se u přístrojů používá vztah: a jeho modifikace podle výrobce: 30/47
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE 31/47 Výpočet napjatosti podle aparatury M 1000 - Mikrotechna (CZ) [‰] [MPa] Kde Um. . . je výstupní napětí z tenzometrického mostu [V] E. . . je modul pružnosti měřeného materiálu [MPa] n. . . je počet „aktivních“ tenzometrů [-] k. . . je konstanta tenzometru [-] C. . . je citlivost mostu [m. V/V] (1 = zesílení 1000 x) A. . . je hodnota „cejchu“ aparatury [V] p. . . konstanta podle odporu tenzometru (=1, 0003 pro 120 Ω)
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE 32/47 Výpočet napjatosti podle aparatury MGC - Hottinger (D) [‰] [MPa] kde Um. . . je výstupní napětí z tenzometrického mostu [V] E. . . je modul pružnosti měřeného materiálu [MPa] n. . . je počet „aktivních“ tenzometrů [-] k. . . je konstanta tenzometru [-] C. . . je citlivost mostu [m. V/V] (1 = zesílení 1000 x)
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE 33/47 Výpočet napjatosti podle aparatury DL 520 Yokogawa [‰] [MPa] kde Um. . . je výstupní napětí z tenzometrického mostu [V] E. . . je modul pružnosti měřeného materiálu [MPa] n. . . je počet „aktivních“ tenzometrů [-] k. . . je konstanta tenzometru [-]
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE Fóliový odporový tenzometr Technologie je podstatně produktivnější, než tvarování mřížky z drátku a dovoluje libovolné uspořádání, měřící mřížky. /47
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE Fóliový odporový tenzometr /47
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE /47 Křížový tenzometr Používá se pro snímače tahu / tlaku e -e m [Podrobněji v prezentaci „Snímače s tenzometry“] e
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE Tenzometrická růžice Pro měření napjatosti u níž neznáme směry hlavních napětí [Podrobněji v prezentaci „Měření rovinné napjatosti“] /47
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE Tenzometr pro točivý moment Měří poměrné prodloužení pod úhlem 45º (směr poměrných prodloužení při čistém krutu) [Podrobněji v prezentaci „Snímače s tenzometry“] /47
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE Tenzometr pro měření tlaku /47
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE Speciální tenzometry Měření gradientu napětí /47
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE Speciální tenzometry Reziduální pnutí [Podrobněji v prezentaci „Měření zbytkové napjatosti“] /47
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE Speciální tenzomety Měření postupu trhliny /47
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE /47 Polovodičový odporový tenzometr V roce 1954 objevil americký fyzik Smith piezorezistenci polovodičů převádějící deformaci na elektrický signál s účinností běžně 60 x, ale někdy až 100 x vyšší, než kovové aktivní části drátkových a foliových tenzometrů. Piezorezistence však mohla být prakticky využita teprve po nalezení technologií, dovolujících zatěžovat křehké polovodiče tahovou deformací na hodnoty meze pružnosti konstrukčních ocelí. První germaniové tenzometry se objevily na trhu v roce 1957. Křemíkové tenzometry se začaly sériově vyrábět v roce 1959.
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE Konstanta polovodičového tenzometru Pro kovové tenzometry /47
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE Polovodičový odporový tenzometr /47
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE Polovodičový odporový tenzometr /47
Experimentální metody v oboru – ODPOROVÁ TENZOMETRIE Tenzometrický snímač s polovodičovými tenzometry ve snímači tlaku v klimatizaci automobilu 47/47
- Slides: 47