Метод автокалибровки тензодинамометров


Т.В.Быкова, Г.А.Черепащук
Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е.Жуковского «ХАИ»

In article the basic errors dynamometers and the reasons of their occurrence are considered. Authors prove necessity of improvement of metrological characteristics  of dynamometres, what are applied tests of designs and the method of their calibration is offered.

При точных измерениях силы практически во всех областях промышленности и, в частности, при прочностных испытаниях конструкций используются тензодинамометры. Их преимущества состоят в возможности дистанционной передачи и регистрации результатов измерений, автоматической обработки данных с помощью вычислительных устройств, включение в одну цепь нескольких преобразователей силы и др. Они обеспечивают решение большинства измерительных задач силы. Основной частью тензодинамометров является упругий элемент, который воспринимает прилагаемую нагрузку. От него в большой степени зависит точность измерений. Для динамометров характерны погрешности нулевого показания, линейности, воспроизводимости, гистерезиса и температурные.
Деформация упругого элемента преобразуется в электрический сигнал с помощью наклеенных на него тензорезисторов, как правило, включенных по мостовой схеме. Погрешности динамометров зависит от свойств материалов упругого тела. Он должен обладать малым несовершенствами упругости, высокой релаксационной стойкостью, стабильностью упругих свойств во времени и в переменных внешних условиях. В процессе длительной работы динамометра происходит изменение его упругих свойств. Это связано с влиянием окружающей среды, например температуры, а так же процессами старения в материале. Так же существенное влияние на упругие свойства материала  влияет тренировка — процесс нагружение—разгружение. При длительной нагрузке происходит релаксация внутренних напряжений. В случае применения динамометров при прочностных испытаниях конструкций он чаще всего работает в динамическом режиме и претерпевает быстрые изменения во времени прилагаемой к нему силы. При этом процесс релаксации напряжении и деформации становятся заметными. В случае нарушения технологии наклейки происходит отслоение тензорезисторов, что приводит к частичной или полной потере чувствительности динамометром.
Обеспечение требуемой точности измерения силы требует периодического контроля метрологических характеристик динамометра и всего измерительного канала в целом. В случае применения динамометров при испытаниях конструкции их демонтаж с объекта исследования достаточно сложен, а в ряде случаев невозможен вообще, поэтому для них требуется бездемонтажная калибровка, к тому же в автоматическом и автоматизированном режиме. Процесс автокалибровки должен обеспечивать контроль двух параметров: погрешности установки нуля и изменение коэффициента преобразования. Основной задачей при этом является воспроизведение  образцового усилия, действующего на динамометр. Устройство, воспроизводящее силу, должно быть  малогабаритным и легко встраиваться в динамометр, не нарушая при этом силоизмерителную цепь. Управление процессом воспроизведения силы, регистрации показания динамометра и коррекция его погрешности должна производиться автоматически.
Наиболее приемлемым для этих целей является тепловой принцип воспроизведения силы, основанный на использовании сил теплового расширения. В простейшем случае такой тепловой калибратор силы может быть устроен следующим образом. Нагреваемый элемент калибратора располагается в силовой цепи последовательно с динамометром, нагревается и изменяет свои размеры, деформирую при этом динамометром. Нагрев производится током, величина которого может задаваться и контролироваться с высокой точностью. При стабильных условиях окружающей среды температура нагрева, а следовательно, и тепловая деформация элементов пропорциональна току нагрева.
На рис. 1 изображена схема передачи силы от нагреваемого элемента (термовозбудителя) Т динамометру Д.  Тепловая деформация термовозбудителем ?х передается динамометру, вызывая при этом его сжатие, и следовательно, упругую силу F'. На термовозбудитель при этом действует реакция  со стороны динамометра F”. В равновесном состоянии наблюдается равенство сил F' и F” и соответственно упругой деформации динамометра   ?хД  и суммарной деформации термовозбудителя      
?хТ. При этом получаем систему уравнений:

                          F' = F”,                  (1)

                        ?хД  = ?хТ .                         (2)

Уравнение (2) преобразуем к виду:

                  F'kд =  ?х -  F”kт ,          (3)

где  kд, kт   -  соответственно коэффициенты податливости динамометра и термовозбудителя.
В качестве нагревателя термовозбудителя используется обмотка, по которой протекает точно задаваемый ток. При стабильных внешних условиях деформация термовозбудителя однозначно определяется величиной этого тока:


?х = f(I),                                                                  (4)
где I – ток нагрева.
С учетом (1) и (4) уравнение (3) принимает вид:

f(I) = F(kд + kт) ,                                                        (5)
где F = F' – сила, измеряемая динамометром.
В реальных условиях калибровки необходимо учитывать податливость остальных элементов силовой цепи, которую обозначим kц. При этом уравнение (5) примет вид:

                                                              f(I) = F(kд + kт  + kц) .                                              (6)

Процесс самокалибровки преследует цель определить значение коэффициента податливости динамометра  kд в текущий момент времени по известным значениям тока нагрева I и показания динамометра F и сравнить его с полученным при первоначальной калибровке. При этом должно соблюдаться постоянство внешних влияющих условий, то есть первоначальную калибровку и все последующие рекомендуется проводить в нормальных условиях. Функция f(I) и коэффициенты kт и kц остаются неизвестными и требуют исключения из уравнения (6). Для этой цели предлагается ввести в силовую цепь дополнительный элемент П с известной податливостью kп включаемый последовательно упругому телу динамометра (рис. 2). Тогда уравнение (6) приобретет вид:

f(I) = F(kд + kт + kц  +kп).                                                (7)

     При одном и том же токе нагрева, например I1  можно получить два тестовых значения силы F1 и F2 , первое из которых воспроизводится при проведении калибровки без включения элемента П, а второе с его включением. Учитывая тот факт, что левые части уравнений (6) и (7) равны, получаем следующее выражение:

F1(kд+kт1+kц) = F2(kд+kт1+kц+kп),   (8)

где kт1  -  коэффициент податливости термовозбудителя при токе нагрева I1.
Изменение тока нагрева позволяет получить набор тестовых значений силы и составить систему из нескольких уравнений (8), при этом kт  в каждом из них будет различным в зависимости от температуры, и следовательно, от тока нагрева. Эта зависимость имеет вид:

kтi = kт1(1+??t),                                                          (9)

где ? – температурный  коэффициент податливости, который является постоянным для определенного материала;
?t –  изменение температуры нагрева термовозбудителя.
Если контролировать температуру нагрева термовозбудителя Т и обеспечить термоизоляцию динамометра Д и элемента П, то выражение (8) будет содержать четыре неизвестных (kд, kт1 , kц , ?). Для их нахождения необходимо получить как минимум четыре уравнения, то есть провести четыре пары опытов (по схемам на рис. 1 и 2) с токами нагрева I1, I2 , I3 , I4. Для уменьшения влияния случайной погрешности и повышения точности калибровки число опытов может быть увеличено. Тогда искомый коэффициент податливости динамометра получается путем решения следующей системы уравнений, например методом наименьших квадратов:

  
где j -  количество пар опытов.
Предложенная система тестовых воздействий набора воспроизводимых деформаций позволяет не учитывать упругих свойств силопередающих элементов и, тем самым, избавиться от измерения воспроизводимого значения силы дополнительным средством измерения.

Список литературы:     
1. Вишенков А.С. Методы и средства аттестации, поверки и испытаний силоизмерительных приборов. М.:Изд-во стандартов, 1985, 184 с.

2. Быкова Т.В., Черепащук Г.А. Калибраторы для силоизмерительных устройств // Вісник Черкаського державного технологічного університету, 2005. - №3. - с. 101-103,