Vizsgálatok méréstechnikája BME Hidak és Szerkezetek Tanszék Szerkezetvizsgáló Laboratórium Dr Kálló Miklós - Völgyi István A dokumentum a HBM on Tour dokumentációjából származó képanyaggal készült. Miért végzünk méréseket? Cél a valóság megismerése A méréseket részben kiváltó modellek, elméletek megalkotása, igazolása Kísérlettel segített tervezés Nem áll rendelkezésre megfelelő modell Igazolni kell a modell alkalmasságát a konkrét probléma esetén Pl. ellenőrizhető, igaz-e a sík keresztmetszetek elve Meg kell határozni, esetleg igazolni a tervezés során felveendő paramétereket.
Milyen fizikai mennyiségeket kell mérnünk a mérnöki szakterületeken? Hossz (távolság) Terület Térfogat Tömeg Erő Nyomaték Hőmérséklet Sűrűség Eltolódás Elfordulás Sebesség Szögsebesség Gyorsulás Szöggyorsulás Nyúlás Feszültség Vízhozam Örvényesség Elektromos feszültség Áramerősség Ellenállás Induktivitás Kapacitás Darabszám Stb. A fizikai mennyiségek túlnyomó részét közvetlenül nem, vagy nagyon nehezen tudjuk mérni. Ezek mérést valamilyen egyéb, jól mérhető fizikai mennyiség mérésre vezetjük vissza. Ehhez a két fizikai mennyiség közötti jól leírható kapcsolatra van szükség. Ez a méréstechnika tudományterülete. Mérőrendszerek működési elve Kijelző Leolvasás skálán folyadékszál hossza Erősítő Átalakító Jeltovábbító Kapilláris cső megnöveli a szál hosszváltozását A hőmérséklet növekedése a töltő folyadék térfogatát növeli. Érzékelő A folyadék átveszi a környezet megváltozott hőmérsékletét Mérendő fizikai mennyiség Hőmérséklet
Mérőrendszerek működési elve Kijelző Erősítő Átalakító Jeltovábbító Leolvasás skálán: mutató elmozdulás Áttételek megnövelik a szögelfordulást. A szár eltolódását a fogasléc és a fogaskerék elfordulássá alakítja. Érzékelő A tapintószár a műszer belsejébe továbbítja az eltolódást. Mérendő fizikai mennyiség Eltolódás Mérőrendszerek működési elve Kijelző Erősítő Átalakító Jeltovábbító Érzékelő Leolvasás skálán: mutató elmozdulás Az erő a rugó alakváltozását okozza. Tömeg esetén a nagy pontossággal ismert gravitációs gyorsulást használjuk fel. Tömegmérést, súlymérést erőmérésre vezetjük vissza. Mérendő fizikai mennyiség Tömeg, súly, erő
Méréstechnika ma Ma jellemzően elektromos mérőrendszereket alkalmazunk, mert Kapacitás, ellenállás, induktivitás jól mérhető Jól automatizálható Rendkívül gyors mintavételt tesz lehetővé Jelek egyszerűen, rendkívül nagy távolságra továbbíthatók A digitális jellé alakított eredmények könnyen, gyorsan, automatikusan feldolgozhatók, kijelezhetők, rögzíthetők A jelek automatikus beavatkozást tesznek lehetővé, pl riasztás, ha a lehajlás meghaladja a megengedett értéket Legfontosabb mérési elvek Vezető ellenállásának változása (nyúlásmérő bélyegek) Tekercs induktivitásának változása (vasmag mozgatása) (induktív érzékelők) Kapacitás változása (Kondenzátorok fegyverzetének eltolódása) (ritka) Félvezetők, stb. Legfontosabb érzékelő típusok Az érzékelők megfelelő alkalmazásával a legkülönfélébb mennyiségek mérése válik lehetővé. Közvetlenül: nyúlás, eltolódás Közvetve: Feszültség, erő, nyomaték, szögelfordulás, eltolódás, gyorsulás, stb.
A mérőrendszer működése elektronikus mérés esetén Mérendő: tömeg-súly Mechanikai feszültségmérés nyúlásméréssel Érzékelő: egy kalibrált elem, ami a rá helyezett erőből származó igénybevétel hatására alakváltozást végez. A nyúlást a felhelyezett nyúlásmérő bélyeg érzékeli, elektromos jel keletkezik. A jel az erősítőbe befut. Az erősíti, átalakítja, méri. A mért értékből a kalibráció alapján tömeget számol. Az eredményt a kijelzőre továbbítja. Nyúlásmérés Nyúlás ε= L/L (Acél folyáshatár ε~2 ) Mechanikai feszültség hatására Hőmérsékletváltozás hatására Maradó alakváltozás (pl. hidegalakítás)
Nyúlásmérés Megkövetelt pontosság iparban: ~ 1%, laboratóriumban: ~ 1 Mérendő 10-6 hosszváltozás (µm/m) (µε microstrain) Nagyon kis ellenállás változást kell mérni Ellenállásmérés helyett feszültségmérés Wheatstone híd A Wheatstone híd Generátorátló Galvanométerátló -Áram folyhat R2-R1, illetve R3-R4 útvonalon. - A híd kiegyenlített, ha R1:R2=R4:R3 - R2, R3, R4 ismert ellenállások, ha egyikük kalibráltan változtatható- a híd kiegyenlíthető - Általában: R1=R2, R3=R4
A Wheatstone híd =(1+2µ+Θ) L/L k= gauge factor ~2 Θ ~0,4 Ha az ellenállások gauge factora azonos: Ha csak az egyik ellenállás értéke változik: U U out in = k 4 ε 1 Negyedhíd 1 aktív bélyeg Mérőhíd típusok Félhíd 2 aktív bélyeg Teljes híd 4 aktív bélyeg
Mérőhíd típusok a negyedhíd 1 aktív bélyeg Költséghatékony (kevesebb kábelezés, munka) Hőmérsékletváltozásra érzékeny Nullpont eltolódik a kábelhossz függvényében Kábelhossztól függő gauge factor R 1 =R SG +2R cable Negyedhíd hibái Két huzalos negyedhíd 10m-es kábelhossz esetén: Huzal hozzávezetési ellenállása: (oda és vissza egyaránt) 0,216Ω/m Kéthuzalos negyedhíd kábel felmelegszik 10K-nel: Huzal ellenállása: 0,5Ω, Hőmérsékleti koefficiens: α=0,0039 K -1 Nullpont eltolódás Mérési hiba Gauge factor (k) érzékenység hozzávezetési ellenállástól való függése: Hozzávezetési ellenállás 1 Ω, k=2,03
Negyedhíd alkalmazhatósága-3huzalos bekötés -Nincs nullpont eltolódás -Nincs kábelhőmérsékleti érzékenység -Gauge factor változása 2 kábelesének a fele Negyedhíd alkalmazhatósága-4huzalos bekötés - Gage factor változása kiküszöbölhető
Példa negyedhíd alkalmazására Hőmérséklet kompenzáció más mérőeszközök esetén Mechanikus nyúlásmérő: l= l m - l t m m Mérendő: 10-6 α t =12*10-6 1 K hőm. Vált kívánt érzékenység 12-szerese a nyúlás Gátolt ε=0 σ 0; Szabad: ε 0 σ=0 Mérés azonos hőmérsékletű, feszültségmentes kompenzáló próbatesten t t
Mérőhíd típusok a félhíd 2 aktív bélyeg Hőmérsékletváltozásra nem érzékeny Nullpont eltolódás nincs Példa félhíd alkalmazására Hőmérséklet kompenzáló ellenállás bekötése Mérés Poisson félhíddal
Példa félhíd alkalmazására Hajlított gerenda vizsgálata a szélső szálai nyúlásának mérésével Példa félhíd alkalmazására Falazat alakváltozásainak mérése különböző irányú és bázishosszú induktív útadók segítségével
Mérőhíd típusok a teljes híd 4 aktív bélyeg Hőmérsékletváltozásra nem érzékeny Nullpont eltolódás nincs Nagy munkaigény, költséges Növekvő érzékenység Elsősorban mérőátalakítónál használjuk (erőmérő, nyomásmérő, gyorsulásmérő, stb.) Mérés nyúlásmérő bélyeggel további alkalmazási példák Feszültséglefutás mérése láncbélyeggel Gyakorlatilag csak negyedhíd esetén elképzelhető
Mérés nyúlásmérő bélyeggel további alkalmazási példák Kerékpárkormány merevség és fáradásvizsgálata Mérés nyúlásmérő bélyeggel további alkalmazási példák Lőtt betonos megerősítés együttdolgozásának vizsgálata a betonacél feszültségének mérésével
Mérés nyúlásmérő bélyeggel további alkalmazási példák Teherspektrum felvétele egy acél vasúti hídon Nyúlásmérő bélyegek típusai mikor milyet? Mit akarok mérni? Milyen anyagon? Milyen időjárási körülmények között? Milyen hosszú ideig Milyen terhelő hatások vannak? Bélyeg kiválasztása Ragasztó kiválasztása Védelem kiválasztása
Nyúlásmérő bélyegek típusai mikor milyet? Nyúlásmérő bélyegek típusai mikor milyet?
Nyúlásmérő bélyegek típusai mikor milyet? Többtengelyű feszültségállapot vizsgálata rozetta alkalmazásával egy felni szelepházának környezetében Nyúlásmérő bélyegek típusai mikor mekkorát?
Nyúlásmérő bélyegek típusai mikor mekkorát? Nyúlás az acél próbatest bemetszésében Rövid bázishossz Acél: l 0 =1-20mm Nyúlás az inhomogén beton próbatest szélső szálában Rövid bázishossz Más nyúlás a kavicsnál, más a cementkőnél Beton: l 0 =60-200mm Nyúlásmérésen alapuló mérőműszerek Erőmérő Poisson bélyeg növeli a kijövő jelet, hőmérsékletre érzéketlenné teszi az érzékelőt, de a kialakítás az erő külpontosságára érzékeny marad! A probléma kiküszöbölhető négy oldalon történő méréssel. Nem teljes hídba kötendő!
Nyúlásmérésen alapuló mérőműszerek Nyomatékmérő Nyúlásmérésen alapuló mérőműszerek Nyomatékmérő Csavarónyomaték mérő műszer működési elve (4aktív bélyeg teljes hídban)
Nyúlásmérésen alapuló mérőműszerek Nyomatékmérő Minden bélyegen azonos nyúlás keletkezik hőmérsékletváltozásból. A hatás kompenzált Konzol terhelése ismert erőkkel, nyúlások leolvasása kalibrációs görbe felvétele A műszer erőmérésre alkalmas Nyúlásmérésen alapuló mérőműszerek Erőmérő befogott konzol tartó segítségével (Mechanikus műszer is könnyedén alkotható a konzolvég mellé helyezett skála segítségével. Ekkor a kalibráció alapja a konzolvégi lehajlás.
Nyúlásmérő bélyegek felhelyezése, védelme Köszörülés Ragasztás (választás a követelmények függvényében) (Hőmérséklet, terhelés tartóssága, dinamikus jellege, mérés hossza) Huzalok forrasztása Csoki elhelyezése Mérőhely védelme Nyúlásmérő bélyegek felhelyezése, védelme
Dinamikus mérések Gyorsan változó fizikai mennyiségek mérése Mit szeretnék mérni? Mekkora az amplitudó? Milyen gyors a változás sebessége? Milyen zavaró hatásokkal kell számolni, hogyan küszöbölhetjük ki? Érzékelő kiválasztása Erősítő kiválasztása Mintavételi frekvencia meghatározása Dinamikus mérések mintavételi frekvencia megválasztása Túl alacsony mintavételi gyakoriság Megfelelő mintavételi gyakoriság Alias frekvencia megjelenése alacsony mintavételi gyakoriság esetén Visszafelé forgó kerék filmen 24 kocka/mp, kép 0,04mp-ként
Dinamikus mérések Zavaró tényezők A környezetünkben minden rezgést végez Ezek zavarhatják a mérést Nagy áramfelvételű fogyasztók (ki-bekapcsolása) Hálózati frekvencia és annak felharmónikusai Közlekedésből (villamos), működő gépekből (szalagfűrész, légkalapács) származó rezgések Stb. Dinamikus mérések Zavaró tényezők kezelése Szűrők alkalmazása (Adott frekvencia feletti, esetleg alatti rezgéseket kizárja a mérésből) Vivőfrekvenciás mérés ( Csak egy szűk frekvenciatartományt érzékel) A szűrő frekvenciája legalább 20%-kal magasabb a mérendőnél A szűrő frekvenciája a mintavételi frekvencia mintegy 10-15%-a.
Dinamikus mérések Sajátfrekvenciák keresése Gerjesztés hatására kialakuló rezgések (nyúlás, gyorsulás, eltolódás, sebesség) mérése A jel feldolgozása. Fourier analízis. eredmények frekvenciatérben Dinamikus mérések Sajátfrekvenciák keresése
Dinamikus mérések Jel amplitudója, frekvenciája Impulzus esetén a rezgés első pillanataiban óriási amplitudó lép fel igen rövid ideig. Nagyon magas mintavételi frekvenciára és speciális eszközökre van szükség. Az ezt követő szakasz csillapodó önrezgés. Kis amplitudók, alacsony domináns frekvenciák. Dinamikus mérések Önrezgés csillapítása Logaritmikus dekrementum