Статическая балансировка роторов (стр. 7 из 9)
Современные сило- и весоизмерительные тензопреобразователи позволяют выполнять измерения с погрешностью, не превышающие 0,5%. Имеются сведения о тензопреобразователях, позволяющих выполнять и более точные измерения (с погрешностью 0,1 – 0,2%).
Для измерения давлений широко используются тензопреобразователи с проволочными, фольговыми и полупроводниковыми тензорезисторами, причем благодаря высокому верхнему частотному пределу полупроводниковые тензорезисторы в последнее время стали все чаще применяться в преобразователях для измерения давлений (в первую очередь динамических давлений).
Для измерения давлений используются в основном два вида упругих преобразователей: мембраны и цилиндрические оболочки . Некоторое применение для измерения статических давлений находят преобразователи, построенные на базе обычного манометра с трубкой Бурдона.
Мембранные преобразователи давлений в качестве упругого элемента имеют мембрану – тонкую пластинку, нагруженную с одной стороны измеряемым давлением р . Упругая пластинка закрепляется по контуру, и на поверхности, противоположной той, на которую действует давление, располагается тензочувствительный элемент. Обычно применяются круглые пластинки, причем их жесткость и геометрические размеры выбираются такими, что влиянием цепных напряжений можно пренебречь.
Если из-за больших нагрузок или недостаточной жесткости мембрана получает большие прогибы, то на изгибные напряжения накладывают цепные напряжения и линейность зависимости между давлением р и относительной деформацией eД на поверхности нарушается.
Большое влияние на качество работы мембранного преобразователя давлений, линейность его функции преобразования и чувствительность оказывает степень заделки мембраны по контуру. Обычно следует стремиться к жесткой заделке, ибо при этом создаются оптимальные условия расположения на мембране тензочувствительного элемента и обеспечивается более высокая собственная частота самой мембраны.
Тензочувствительные элементы могут быть выполнены в виде проволочных, фольговых или полупроводниковых тензорезисторов.
Расчет чувствительности мембранного преобразователя давления производится в следующем порядке:
а) определяются изгибающие моменты в тангенциальном и радиальных сечениях;
б) находятся деформации по направлению радиуса по нормали к радиусу;
в) определяются средние интегральные деформации тензочувствительных элементов при действии расчетного давления.
Для жестко заделанной по контуру мембраны изгибающие моменты в радиальном и тангенциальном сечениях будут:
Мr = p/16 [R2 (1+m) - r2 (3+m)]; ü (20)
Mt = p/16 [R2 (1+m) - r2 (3+3m)]; þ
где р – распределенное давление на мембрану;
m --коэффициент Пуассона для материала мембраны;
R – радиус мембраны;
r – радиус точки мембраны, для которой вычисляются Мr и Mt.
Соответствующие напряжения srи stи деформации erи et на поверхности мембраны в точке с радиусом r находятся из зависимостей:
sr = 6Mr / t2 = 3p / 8t2 [R2 (1+m) - r2 (3+m)]; ü (21)
sr = 6Mr / t2 = 3p / 8t2 [R2 (1+m) - r2 (3+3m)]; þ
er = 1 / E (sr - mst); (22)
et = 1 / E (sn - mst), (23)
где Е – модуль нормальной упругости для материала мембраны;
t – толщина мембраны.
Подставляя в последние уравнения значения srи st, окончательно можно записать:
er = (3p / 8t2) (1 - m2 / E) (R2 - 3r2); ü (24)
et = (3p / 8t2) (1 - m2 / E) (R2 - r2). þ
Для мембраны, свободно опертой по контуру, деформации в точке с радиусом r можно найти по формулам:
er = (3p / 8Et2) [R2 (3 - 2m2) - r2 (3 - 3m2)] ü(25)
et = (3p / 8Et2) [R2 (3 - 2m2) - r2 (1 - m2)] þ
Дальнейшее решение сводится к определению абсолютной Dlд и относительной (средней) eср = Dlд / lд деформации участка мембраны на длине тензочувствительного элемента lд . Исходными данными для этого решения являются приведенные выше зависимости для erи et и геометрическая форма решетки.
Для центрального профиля:
Dlд = 2 r0ò0er dr = (3p / 4Et2 ) [r0 (1- m2) (r02 - R2) / Е ]ü (26)
eср = (Dlд / lд )= (3p / 8Et2 ) [ (1- m2) / Е (R2- r02)]þ
Собственная частота в герцах (основной тон) жестко заделанной мембраны определяется по зависимости, полученной Ю.А. Шиманским:
f0 = 1,57 Ö Eh3 / 12R4 m0 (1 - h2) (27)
где через m0 обозначена масса единицы площади мембраны.
Собственная частота мембраны, свободно опертой по кромкам,
f0 = 0,94 Ö Eh3 / 12R4 m0 (1 - h2) (28)
В некоторых случаях и кинематическую схему преобразователя давления вводится еще один упругий элемент, например вторая мембрана или консольная балка, на котором располагается тензочувствительный элемент.
Подобное конструктивное решение является рациональным при быстропеременных нагревах мембраны, когда не удается обеспечить хорошую термокомпенсацию при расположении рабочего и компенсационного тензорезисторов на самой мембране.
Для определения чувствительности такого преобразователя находится сила F , передаваемая от наружной мембраны к внутреннему упругому элементу. Эта сила может быть найдена из условия равенства прогибов мембраны и дополнительного упругого элемента.
Если в качестве дополнительного упругого элемента используется также мембрана, то выражение для деформаций в радиальном и тангенциальном сечениях этой мембраны в точке с радиусом rимеют вид:
er = (3F / 2pt2 ) [(1-m2) (ln R/r - 1) / E ] ü (29)
er = (3F / 2pt2 ) [(1-m2) (ln R/r) / E ] þ
Если в качестве дополнительного упругого элемента используется призматическая консольная балка, то средняя деформация тензоэлемента, расположенного вдоль балки будет :
eср. = 6F (l - xД ) / E bh2 (30)
где l, d, h – длина, ширина и толщина балки;
хД – расстояние от середины тензоэлемента до заделки, обычно равное половины базы тензорезистора.
Приведенные выше зависимости для чувствительности и собственные частоты упругих элементов иллюстрируют общее очень важное в практическом применении правило : наибольшей чувствительности преобразователя независимо от его типа при сохранении достаточно высокой собственной частоты можно достигнуть выбором материала с низким модулем упругости. Для любых упругих элементов при заданных нагрузках деформация на поверхности в месте установки тензорезистора обратно пропорциональна модулю нормальной упругости. Что касается собственной частоты, то при неизменных геометрических размерах упругого элемента она падает, но пропорционально отношению модулей упругости в степени 1 / 2 . Это уменьшение частоты легко компенсируется изменением геометрических размеров упругого элемента (например, увеличением толщины). В целом при заданной собственной частоте преобразователя его чувствительность при использовании материалов с низким модулем упругости возрастает.
В качестве основного чувствительного элемента возможно использование серийных тензопреобразователей. Преобразователь состоит из измерительного блока и электронного устройства. Преобразователи различных параметров имеют унифицированное электронное устройство и отличаются лишь конструкцией измерительного блока.
Измеряемый параметр подается в камеру измерительного блока и линейно преобразуется в деформацию чувствительного элемента и изменение электрического сопротивления тензорезисторов тензопреобразователя, размещенного в измерительном блоке.
Электронное устройство преобразователя преобразует это изменение сопротивления в токовый выходной сигнал.
Чувствительным элементом тензопреобразователя является пластина из монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами (структура КНС), прочно соединенная с металлической мембраной тензопреобразователя.
Схема преобразователя Сапфир 22ДА представлена на рис.14.
Тензопреобразователь 4 мембранно-рычажного типа размещен внутри основания 9 и отделен от измеряемой среды металлической гофрированной мембраной 8.
Мембраны 8 и 14 по наружному контуру приварены к основанию 9 и соединены между собой центральным штоком 6, который связан с концом рычага тензопреобразователя 5 с помощью тяги 13. Измеряемое давление подается в камеру 7; полость 12 вакуумирована и герметизирована.
Фланец 10 уплотнен с помощью прокладки 3.
Воздействие измеряемого давления вызывает прогиб мембраны 8, изгиб мембраны тензопреобразователя 4 и изменение сопротивления тензорезисторов. Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока в электронное устройство 1 по проводам через гермовывод 2.
3.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.
3.1 Описание экспериментальной установки.
Лабораторный стенд для статической балансировки предназначен для проведения на нем лабораторных экспериментов. Он представляет собой сварную конструкцию из профилей проката. Станок размещается на лабораторном столе в классе. Для установки уровня горизонтальной поверхности на стенде предусмотрены настройки. Подвижная часть стенда размещена на раме. Подвижная рама опирается на призмы. Коэффициент трения которых очень низок. Здесь также предусмотрена настройка соосности верхней грани призмы с центральной осью вращения ротора. Это необходимо для повышения точности измерения. Призмы стенда изготовлены из инструментальной стали У8. Они подвергнуты определенной термической обработке. Испытуемый вал размещается на опорных V-обраных призмах. Проще говоря установка представляет собой неравноплечные неуравновешенные весы. С одной стороны на стенде размещена измерительная часть. Она посредством рычагов связана с чувствительным элементом. Призмы и опоры должны точно собираться, для предотвращения погрешности измерения. Для надежного удержания измерительной части в "замке", здесь предусмотрена конструкцией пружина растяжения. В качестве чувствительного элемента здесь используются прмышленный датчик Сапфир 22ДА. Он преобразует механический момент в электрическое сопротивление. Это необходимо для последующих преобразований выходного сигнала. После датчика сигнал поступает на электронный усилитель сигнала. Он поставляется в комплекте с датчикогм Сапфир 22ДА. В качестве вторичного прибора используется универсальный электронный вольтметр, с высокой точностью измерения. Питание усилителя производится от источника постоянного питания 36В. Все исользуемое оборудование должно агрегатно и эргономично распологаться на рабочей поверхности лабораторного стола. Все узлы управления доступны и просты. Питание установки осуществляется от сети 220В переменного тока. Все подведенные электрические кабеля заизолированны. О подачи питания сигнализирует лампочка на щитке питания. И еще лампочки-индикаторы на самих измерительных приборах. Установка также заземлена.