Bevezetés a. nyúlásmérő bélyeges méréstechnikába

Átírás

1 Bevezetés a nyúlásmérő bélyeges méréstechnikába

2 Dr. Petróczki Károly PhD egyetemi docens, tanszékvezető Szent István Egyetem, Gödöllő, Gépészmérnöki Kar Folyamatmérnöki Intézet Méréstechnika Tanszék

3 Alapfogalmak

4 A mérőtest hosszváltozása húzóés nyomóerő hatására F h l F ny l F h : húzóerő F ny : nyomóerő l 0 : a rúd eredeti hossza Δl : a rúd megnyúlása Fajlagos nyúlás: l l l l l 0 Nyúlásméréskor a rövid megnevezése: F h F ny NYÚLÁS

5 A nyúlás mértékegységei l l 0 m m [1] A mérnöki gyakorlatban: Dimenzió nélküli szám, Vagy másképpen kifejezve: mértékegysége: 1 l l 0 cm m mm m 10 2 m 2 m 10 % 10 3 m 3 m m 6 10 m 6 m m 10 Vigyázat! Itt nem SIEMENS! 10 ppm Strain S Parts Per Million USA jelölés Kiejtés: műepszilon

6 A hossz irányú nyúlásra merőlegesen ε k alakváltozás történik: k d d 0 d 0 F h l F ny : l k : Poissontényező l 0 k l 0 k l 0 Al, Cu 0,33 gumi 0,5 acél 0,28 F h F ny Ti 0,34

7 Miért jön létre nyúlás? 1. Mechanikai igénybevétel (terhelés) hatására 2. Hőmérsékletváltozás hatására 3. Maradófeszültség hatására

8 Hooke-törvény legegyszerűbb egydimenzós esete : Ahol: Összefüggés a nyúlás és a mechanikai feszültség között (ismétlés) E E Mechanikai feszültség nyúlás Rugalmassági modulusz, Young modulusz Poisson-tényező: k h Kereszt- és hosszirányú méret változása

9 Anyag paraméterek σ Szakadás ε 15% Folyáspont Rugalmassági határ ε 0,4% Hooke-törvény hatálya Acél ε

10 A nyúlásmérők típusai Kontakt Közvetlen érintkezéssel Mechanikus A nyúlásmérés módja a próbatesten Akusztikus (rezgőhúros) Villamos ellenállásos induktív differenciáltranszformátoros kapacitív Optikai: Fiber Bragg grating sensor Nem kontakt Közvetlen érintkezés nélkül Optikai: változó résméret, változó diffrakció Videoextenzométer Lézerextenzométer

11 A A nyúlásmérő ellenállás működése ρ l l hosszúságú, A keresztmetszetű, ρ fajlagos ellenállású vezető villamos ellenállása: R l A A Δl Ha a huzal Δl hosszúsággal megnyúlik, akkor a keresztmetszet csökken ρ l R l A Δl rövidülés esetén: R R ρ=?

12 Összefüggés a mechanikai mennyiség és a villamos mennyiség között R R R: kezdeti ellenállás R R k ΔR: az ellenállás megváltozása a nyúlás hatására k: bélyegtényező (nyúlási tényező, gage factor, g vagy: GF) A nyúlásmérő bélyeg anyaga Konstantán (45 Ni, 55 Cu) ~2 Félvezető (piezorezisztív nyúlásmérő ellenállás) k

13 Nyúlásmérő ellenállások jellemzői Konstantán (45 Ni, 55 Cu) A nagy gyakorlati jelentősége miatt a továbbiakban elsősorban ezt a típust tárgyaljuk. 1. A bélyegtényező (k) széles nyúlástartományban lineáris, hiszerézise alacsony, értéke nem változik lényegesen a próbatest áttér a képlékeny állapotba 2. Nagy fajlagos ellenállás 3. Kiváló hőstabilitás 4. k2 5. Alkalmazás: szilárdsági mérések, mérőátalakítók (erőmérő-, mérleg-, nyomaték, myomásmérő cella, stb )

14 Fólia nyúlásmérő ellenállás (nyúlásmérő bélyeg) kialakítása Leggyakoribb típus Fólia fedőréteg Fólia hordozó Mérőrács (konstantán) Kivezető huzal aktív hossz Elemi ellenállásszálak sorba kötve Elemi szálak száma: 2 20

15 Félvezető nyúlásmérő ellenállás Félvezető nyúlásmérő ellenállás Kivezető huzal Összekötő aranyhuzal Fólia hordozó

16 A felragasztott nyúlásmérő bélyeg együtt nyúlik a próbatesttel F h A felület előkészítéséről és a ragasztásról később lesz szó. Nyúlásmérő bélyeg l 0 l0 l Próbatest F h R R k

17 Példa 3 Mennyi lesz a 120 -os k=2 nyúlási tényezővel (bélyeg tényező) rendelkező nyúlásmérő ellenállás ellenállásváltozása 1 nyúlás hatására? R 120 k Strain R R k R k R , ,4 10 0,24

18 Példa 4 Mekkora legjobb felbontással (lépésközzel) lehet nyúlást mérni egy 3 ½ digites digitális multiméterrel, ha a nyúlásmérő bélyeg ellenállása 120? Próbatest F h l0 l l 0 Kép: GLB_25304/Maxwell_ MX25304_Digitalis_m ultimeter F h

19 A műszert 200 -os méréshatárba kell állítani. A műszer kijelzőjén ez látható: 1 2 0, 0 Itt 1 lépésköz 0,1 -ot jelent. Tehát ezt a legkisebb változást tudjuk mérni. R R k R k R,1 21, ,4210 0,42 420Strain 2 Ezzel a műszerrel nagyon pontatlan mérést tudunk végezni!

20 Nyúlásmérő áramkörök R R k Példa 3-ból következik, hogy jelentős 1 =1000 Strain nyúlás R=120 -os nyúlásmérő ellenállás esetén mindössze csak R =0,24 ellenállásváltozást eredményez. Ha 1 Strain felbontást akarunk, akkor 0,24 m változást kell mérni. A méréstechnikai probléma: 100 nagyságrendű R ellenállás m (milliohm) nagyságrendű R ellenállásváltozását kell mérni. Megoldások: 1. Nagy felbontású ellenállásmérő alkalmazása hátrány: drága és lassú 2. Hídáramkör alkalmazása (Wheatstone-híd) leválasztja a kis ellenállásváltozást a nagy ellenállásról, hatásosan csökkenthető a hőmérséklet mérésre gyakorolt hatása, hatékony áramköri megoldások a mérés pontosságának javítására

21 Wheatstone-híd R 4 R 3 U táp R 4 U híd R 3 U táp R 1 R 2 R 1 R 2 U híd R t A nyúlásmérésnél mindig terheletlen hidat vizsgálunk: R t =. A híd kimenőfeszültsége az R 4, R 1 és az R 3, R 2 feszültségosztók feszültségkülönbségével egyezik meg. Ha R 4 = R 1 = R 3 = R 2 = R, akkor U híd =0

22 Ha a Wheatstone-híd egy ágát képezi a nyúlásmérő ellenállás: ¼ híd Próbatest F h Rövidítve: U táp U t U híd U h l0 l l 0 R+R I R U híd R U táp U R U t /2 F h Összefüggés a hídfeszültség és a nyúlás között: U U h t 4 k

23 Ha a Wheatstone-híd kettő vagy négy ágát képezi a nyúlásmérő ellenállás, akkor a megnevezés: félhíd (1/2 híd) R 4 U híd R 3 U táp R 2 R 1 teljeshíd (4/4 híd) R 4 U híd R 3 U táp R 1 R 2

24 Előző mérőhíd ábrák összefoglalása ¼ híd R 4 +R 4 4 ½ híd R 4 U híd R 3 Uhíd R 3 U táp U táp R 2 R 2 R 1 +R 1 1 R 1 +R 1 1 teljeshíd R 4 +R 4 R 3 +R 3 1 Uhíd 3 Utáp táp R 2 +R 2 2 R 1 +R 1 1 Kis hőfokfüggésű ellenállások!!!!!! Min. 25 ppm/ C

25 Próbatest F h A hőmérséklet hatása a híd kimenőfeszültségére T 1 T 2 hőmérsékletváltozás l0 l l 0 R+R I R U híd R U táp U R U t /2 F h T 1 T 2 hőmérsékletváltozás hatására felborul a híd egyensúlya U h látszólagos nyúlást mutat (Példa 2) Rendszeres hibaként jelentkezik

26 Hőmérsékleti hiba kiegyenlítése (kompenzálása) Lehetőségek: 1. Önkompenzáló rendszer kialakítása 2. Kihasználva a különbségi mérés lehetőségeit, hőkompenzáló bélyeg(ek) alkalmazása 3. Hőmérséklet mérése, korrekciós táblázat, egyéb számításon alapuló hibacsökkentés bonyolult, pontatlan

27 Nyúlásmérő bélyeg ellenállásanyaga (lin. hőtágulási tényezője: g ) 1. Módszer: önkompenzálás Mérendő test (lin. hőtágulási tényező: S ) A hőmérsékletváltozás hatására bekövetkező látszólagos nyúlás (levezetés nélkül): T k s g ahol: α: Nyúlásmérő bélyeg ellenállásanyagának (konstantán) hőfoktényezője k: bélyegtényező A konstantán (45 Ni, 55 Cu) ellenállásának hőfoktényezője az ötvözet összetételétől függően negatív is lehet T 0 vá tehető.

28 A jelentősebb szerkezeti anyagokhoz önkompenzált bélyegeket gyártanak A bélyeg jelölése Anyag Lin. hőtágulási tényező 1 Ferrites acél =10, /K 3 Alumínium = /K 5 Ausztenites acél = /K 6 Kvarc = 0, /K 7 Titán / szürkeöntvény = /K 8 Műanyag = /K 9 Molibdén = 5, /K Az önkompenzált bélyeg csak a hozzá tartozó lineáris hőtágulási tényezővel rendelkező próbatestre ragasztva ad önkompenzálást!

29 Önkompenzált nyúlásmérő bélyeg ε s látszólagos nyúlása a hőmérséklet függvényében 1 Ferrites acél =10, /K ε s

30 Aktív bélyeg 2. Módszer: hőkompenzáló bélyeg alkalmazása F h Hőegyüttfutás A bélyegek azonosak A próbatest azonos (Hő)Kompenzáló bélyeg Mindkettő hőfokfüggése azonos A terhelés csak erre a testre hat U K U híd R U R A U t /2 U táp F h Ha a hőmérsékletváltozásra R A U A U h ugyanolyan Ugyanarra a hőmérsékletváltozásra R K U K U h mértékben A két hatás kioltja egymást, az U híd hídfeszültség nem változik!!!

31 K A 1 Lehetne-e egy próbatestre elhelyezni a két bélyeget? IGEN! k A hőegyüttfutás megvalósul, U K U híd R U R A U t /2 Megnevezés: 1 aktív bélyeges félhíd U táp De: az aktív bélyeg nyúlik, a kompenzáló bélyeg összenyomódik (Poisson-tényező) U U h t U U k h t k Hídtényező: megmutatja, hogy a mérőhíd kimenő feszültsége hányszorosa az egy aktív bélyeges mérőhídénak.

32 Hídkiegyenlítés Az előzőekben feltételeztük, hogy igénybevétel (terhelés) nélkül a mérőhíd kimenőfeszültsége nulla. Ez nem áll fenn, mert: 1. A nyúlásmérő ellenállások és a kiegészítő ellenállások értéke nem pontosan egyenlő. A gyártási szórás kb. 0,3 %-os. 2. Valamilyen előterheléshez képest kívánunk (vagy kell) mérni. Gyakori előterhelés például a szerkezet saját súlya. Az ebből származó nyúlások miatt a mérőhíd kimenőfeszültsége nem nulla. Mérés előtt nulla terhelésnél kiegyenlítjük a mérőhidat. Azaz, nulla terheléshez (vagy adott előterheléshez) nulla kimenőfeszültséget rendelünk. Feladat: 120 0,3 % értéktűrésű nyúlásmérő ellenállás esetén mennyi a látszólagos nyúlás?

33 R 4 R 1 A hídkiegyenlítés néhány lehetősége Más megnevezés: nullázás, tárázás R U 3 híd U táp R 2 U híd =0, ha: Speciális eset: R 1 R4 R R2 R3 R4 1 R R 3 2 R R 4 U híd R 3 R k U táp R 4 Uhíd R 3 U táp R 4 U híd R 3 P k U táp R 1 R 2 R 1 R 2 R k R 1 R 2

34 A nyúlásmérő ellenállások alkalmazása Szilárdsági mérések (a szilárdságtan egyik fontos kísérleti módszere) Mérőátalakítók, érzékelők hbm_doc/start.htm

35 Szilárdsági mérések (a szilárdságtan egyik fontos kísérleti módszere) Cél: Ismeretlen feszültség meghatározása Számított feszültség ellenőrzése Az igénybevétel hatására a próbatest alakváltozást szenved mérése nyúlásmérő ellenállással Az anyag ismeretében a rács irányú meghatározható: E

36 Bélyegrácsok elhelyezése Ha csak egy ismert főirányban vagy adott irányban mérünk nyúlást, akkor egy elemű (lineáris) bélyeget alkalmazunk Ha mindkét ismert főirányban mérünk nyúlást, akkor T alakú bélyeget alkalmazunk Ha nem ismerjük a főirányokat, akkor rozettát alkalmazunk. A mért nyúlásokból a főirányokat és a főnyúlások kiszámíthatók 0 /60 /120 rozetta 0 /45 /90 rozetta Képek forrása:

37 Fólia nyúlásmérő bélyeg alakzatok

38 Fólia nyúlásmérő bélyeg alakzatok Lineáris, egy elemű nyúlásmérő bélyeg V-alakú ( halszálka ), két elemű nyúlásmérő bélyeg a bélyeg T-alakú, két elemű ny.b. Rozetta Lineáris bélyeglánc

39 Mérőátalakítók, érzékelők Speciálisan kialakított mérőtestek bélyegzésével Erő- Tömeg- Nyomaték- Nyomás- Út- Gyorsulásérzékelés

40 Árnyékolás

41

42 4-vetetékes kapcsolás

43

44

45 SR 55

46 SR 30