•MERNI PRETVARAČI SILE I MOMENTA

MERNI PRETVARAČI SILE I MOMENTA 1-1 Uvod Merni pretvarači sile i momenta uglavnom se realizuju implementacijom mernih traka na metalne nosače. Osim njih promenu nalaze i piezo-električni i magnetno-strikcioni. Ostali tipovi se izuzetno retko sreću u praksi. U ovom delu biće detaljnije objašnjeni principi gradnje napred nabrojanih mernih pretvarača. 1-2 Merni pretvarači sile sa mernim trakama Na današnjem tehničkom nivou merni pretvarači sile sa mernim trakama su najrasprostranjeniji. Oni se realizuju u implementacijom mernih traka na metalne, najčešće čelične nosače. Iz poglavlja ili je jasno da se princip rada ovih mernih pretvarača zasniva na merenju relativne deformacije metalnog nosača. Ova deformacija proizvod je opterećenja (sile) koja se meri kako je to i dato na slici 1.

Slika 1. Merenje sile

• Aksijalna sila dovodi do pojave uzdužne deformacije nosača odnosno trake. Ova deformacija

proporcionalna je normalnom naponu na mestu trake (σ=F/A, gde je A površina poprečnog preseka nosača na mestu trake) i definisana je Hook-ovim zakonom:

σ=Е·ε • gde je :

• σ – normalni napon u preseku upravnom na pravac sile, • E – modul elestričnosti nosača, • Ε – relativna deformacija u pravcu sile.

• Kako Nook-ov zakon važi samo u oblasti proporcionalnih deformacija (kod čelika je granica

proporcionalnosti neznatno manja od granice elestričnosti-maksimalnog normalnog napona do kojeg ne dolazi do pojave plastičnih, trajnih, deformacija) to je od značaja da se za nosače koriste materijali sa:

• visokom granicom elastičnost, • bez zaostalih napona, • otpornošću na uticaj ambijenta (koroziona otpornost,...), • stabilnim karakteristikama u vremenskom domenu.

Da bi se uticajsvih poremećaja na izmerenu vrednost otklonio, odnosno da bi debalans Wheatstone-ovog mosta bio funkcija samo Fa neophodno je samo postavio bar četiri merne trake kako je to dato na slici 1.3. Слика 2. Meрни претварач аксијалне силе при дејству попречне силе 2. Merni pretvarač aksijalne sile pri dejstvu poprečne sile

• Kod mernog pretvarača sa slike 2očigledno je, da pri dejstvu sile Fb deformacije mernih traka označenih na 1, i 3 imaju suprotne vrednosti, isti je slučaj i sa trakama 2 i 4 (na slici 2) one su u neutralnoj osi ali se ovo razmatranje odnosi na bilo koji uzajamni položaj pravca sile i kružnog poprečnog preseka tj. važi i kada sila Fb rotira oko Oz ose).

• Matematički izraženo: ε1(Fb) = -ε3(Fb) ε2(Fb)=-ε4/Fb) • Slično razmatranje može se izvesti i za dejstvo momenta savijanja Mf kao i momenta torzije

Mt.

• Treba primetiti da za uticaj temperature važe jednačine (D44), (D45) jer je reč o punom mostu koji je potpuno temperaturski uravnotežen tako da je i poremećaj temperature otklonjen.

Slika 3. Merni pretvarač sile opterećenja na pritisak •Kao što se vidi sa slike 3, pri opterećivanju nosača neminovno dolazi i do njegovog izvijanja. Neka je izvijanje takvo da dolazi do kompresije nosača i do savijanja oko Oh ose. Tada će se deformacije u tačkama 1 i 3 izazvane savijanjem, međusobno potreti ali one u tačkama 2 i 4 će se sabrati tako da će izlazni signal Ua biti funkcija kako sabijanja tako i savijanja što je vrlo nepogodno. •Šta više, pri rasterećenju i ponovnom opterećenju na pritisak doći će do promene položaja ose savijanja u odnosu na merne trake što će dovesti do neponovljivosti merenja. •Zahvaljujući činjenici da je pri izvijanju deformacija izazvana savijanjem znatno manja od one izazvane kompresijom (osim ako telo nije izuzetno vitko: I>>d) to se u slučaju manje tačnih merenja ova greška može tolerisati. •Po izvijanjem se podrazumeva složeno opterećenje na pritisak i savijanje koje nastaje usled vitkosti tela izloženog sili pritiska •No, sa stanovišta tačnih, inženjerskih merenja ovakva greška je neprihvatljiva. •Rešenja za tačno merenje sile pritiska su različita. Najpre, moguće je pravilnom ugradnjom napred opisanog mernog pretvarača sile pritiska „prevesti“ u sili zatezanja (videti sliku 4).

Slika 4. Nepravilno (levo) i pravilno (desno) opterećenje mernog pretvarača sile zatezanja.

Slika 5. Merni pretvarač sile pritiska (princip izvođenja)

• Slika 6. Merni pretvarač sile pritiska (komercijalno rešenje)

Slika 7. Prstenasti merni pretvarači

Slika 8. Deformacija tankog prstena

• Osmougaoni merni pretvarači se najčešće izrađuju sa poprečnim presekom koji je nepravilni osmougao. Razlog leži u težnji da se postigne neosetljivost na duga opterećenja (osim Fb).

Slika 9. Osmougaoni merni pretvarač

Slika 10. Tipovi mernih pretvarača sile

Slika11. Merni pretvarač torzionog momenta

Slika 12. Šematski prikaz mernog pretvarača torzionog momenta

0=tM ϕ222 sinILABI +==

Slika 13. Položaj mernih traka na mernom pretvaraču torzionog momenta i njihova veza u merni most

(( ) ( ) ( ) )NmiMWzaPMnP tt ===⋅

= min/549,9

0ω

1-2-2 Merenje momenta na obrtnim delovima •Merenje obrtnog momenta najčešće se vrši na obrtnim delovima (vratilima) što otvara problem prenosa signala sa traka mernih pretvarača do mernih uređaja kao i problem napajanja mernog mosta koji se nalazi na rotirajućem delu. Najstarije rešenje ovog problema jeste postavljanje kliznih, međusobno izolovanih, prstenova na rotirajući deo i „četkica“ na fiksni deo sistema (videti sliku 14.)

Slika 14. Sistem za kontaktni prenos signala sa rotirajućih delova

• U tabeli T—1-1 date su preporučene vrednosti kontaktnog pritiska za pojedine parove

materijala.

• Pored kontaktnog prenosa signala vrlo često se primenjuju i beskontaktni prenosi signala pomoću dva primarna i dva sekundarna namotaja kao što je to dato na slici 15.

KLIZNI PRSTEN ČETKICA KONTAKTNI PRITISAK

Mesing Srebrni grafit (60% srebra + 40% grafita – zapreminski odnos) 60kRa

Mesing Bakarni grafit (50% Cu+50% grafita-zapreminski odnos) 85kRa

Nerđajući čelik Srebrni grafit 68kRa

Slika 15. Indukovani prenos signala sa rotirajućeg dela

1-2-3 Kalibracija mernih pretvarača sa mernim trakama • Pod kalibracijom se podrazumeva proces u kojem se u mernom sistemu simulira ponašanje

mernog pretvarača pri poznatoj promeni ulazne (merne) veličine. Dakle, kod mernih pretvarača sa mernim trakama treba, tokom kalibracije, proizvesti takav debalans Wheatstone-ovog mosta koji odgovara određenoj vrednosti sile ili momenta.

( )calcal kRkRRRR εε ⋅+=⋅⋅+=∆+ 1

Slika 16. Kalibracija mernog pretvarača sa mernim trakama

pri čemu obe trake moraju biti na poprečnom preseku A i u istom pravcu kao i traka 1 na slici 1.

1-3 PIEZOELEKTRIČNI MERNI PRETVARAČ SILE Posebnu grupu mernih pretvarača sile predstavljaju piezoelektrični merni pretvarači. Ova grupa pretvarača ima izuzetno široku primenu naročito u oblasti merenja sa izraženom dinamikom. Razvojem različitih veštačkih piezoelektričnih materijala, a posebno piezoelektričnih polimera cena ovih pretvarača je pala, a oblast primene se bitno proširila. Generalno razmatrajući industriju mernih pretvarača na prelazu u 21. vek uviđa se da je industrija piezoelektričnih, polimernih mernih pretvarača postala najbrže rastuća. U daljem tekstu biće reči o piezoelektričnim materijalima. Ova razmatranja imaju generalni značaj i za piezoelektrične merne pretvarače drugih veličina. • 1-3-1 Piezoelektrični materijali Neki od izolatora kristalne strukture poseduju osobinu da tokom mehaničkog naprezanja odnosno, tokom deformacije generišu određenu količinu elektriciteta. Ovaj efekat naziva se piezoelektričnim efektom i reverzibilan je.

−

+⋅

⋅⋅

= 12 cal

calcal RR

RkEAF

•

•

• Slika 17. Uz objašnjenje dinamičkih karakteristika piezo-električnih mernih pretvarača

Slika 18. Frekventna oblast piezo-električnog mernog pretvarača

Slika 21. Piezoelektrični merni pretvarač sile

Slika 19. deformacija kristala SiO2

Slika 22. Koordinantni sistem mernog pretvarača

Slika 20. Piezo električni element-primer

Slika 24. Piezo-električni element izložen „debljinskoj“ deformaciji

Slika 23. Piezo-električni element

izložen „dužinskoj “ deformaciji

Slika 25. Piezo-elementi u rednoj (a) i paralelnoj (b) vezi

Slika 26. Dva piezo-električna elementa u rednoj vezi izložena „debljinskoj“deformaciji

Slika 27. Objašnjenje električnog i mehaničkog indeksa

Slika 28. Piezo element izložen savijanju

Slika 29. Princip piezo-električnog mernog pretvarača sile

Slika 30. Impusni čekić

Slika 31. Piezo-električni merni pretvarač sile i momenata

1-4 Magnetnostrikcioni merni pretvarači sile Kako promena naelektrisanja u prostornom i vremenskom domenu izaziva promenu

magnetnog polja u okolnoj sredini tako i kretanje lektrona, u okviru svakog od atoma, izaziva magnetno polje.

Osim kretanja oko atomskog jezgra atomi rotiraju i oko vlastite ose tj. imaju „spin“. Samo četiri elementa u prirodi imaju bitno drugačije ponašanje elektrona u pogledu njihovih spinova od napred opisanih. Kod njih znatno veći broj elektrona ima spin u jednu stranu. Takvi elementi imaju izražena magnetna svojstva i nazivaju se feromagnetnim elementima. Feromagnetni elementi su: gvožđe, kobalt, nikl i gadolinijum.

Slika32. Podela magnetnih materijala u odnosu na magnetnu indukciju

Slika 34. Uticaj normalnog napona na zatezanje na magnetno-strikcione osobine legure „68 Permalloy“ (68%Ni+32%Fe)

Slika 33. Uticaj napona na zatezanje na magnetno-strikcione osobine nikla

Slika 35 Magnetno-strikcioni merni pretvarač sile I pored toga što zbog svoje nelinearnosti i pojave histerezisa, magnetnostrikcioni merni pretvarači nemaju veliku tačnost oni nalaze svoju primenu naročito na mestima gde se mere izuzetno velike vrednosti sila i momenata (tačnije, opterećenja koja izazivaju velika naponska stanja u materijalu). Pogodnost ovakvog načina merenja, naročito dolazi do izražaja tamo gde nije moguće izvršiti instalaciju nekog drugog mernog pretvarača već se može iskoristiti samo promena magnetnostrikcionih osobina samog objekta na koji deluje opterećenje.

1-5 Zaključak: • Generalno gledajući, merni pretvarači tranformišući jedan oblik energije u drugi,

obezbeđuju na svom izlazi signala koji je reprezent merne veličine i na taj način omogućavaju merenje.

• Najveći broj mernih pretvarača vrši transformaciju u mehaničku energiju čime se obezbeđuje pomeranje elemenata na indikatorskom uređaju mernog sistema.

1-6 Literatura: • 1. Električni merni pretvarači temperature, relativne deformacije, sile i momenta.

Instrumentacije Univerzitet u Novom Sadu Tehnički fakultet „Mihajlo Pupin“ Zrenjanin.

Slide Number 1 ���������������������� MERNI PRETVARAČI SILE I MOMENTA ���1-1 Uvod��Merni pretvarači sile i momenta uglavnom se realizuju implementacijom mernih traka na metalne nosače. Osim njih promenu nalaze i piezo-električni i magnetno-strikcioni. Ostali tipovi se izuzetno retko sreću u praksi.�U ovom delu biće detaljnije objašnjeni principi gradnje napred nabrojanih mernih pretvarača. ����1-2 Merni pretvarači sile sa mernim trakama��Na današnjem tehničkom nivou merni pretvarači sile sa mernim trakama su najrasprostranjeniji. Oni se realizuju u implementacijom mernih traka na metalne, najčešće čelične nosače. Iz poglavlja ili je jasno da se princip rada ovih mernih pretvarača zasniva na merenju relativne deformacije metalnog nosača. Ova deformacija proizvod je opterećenja (sile) koja se meri kako je to i dato na slici 1.��������������Slide Number 3Slide Number 4����������������� ��������Da bi se uticajsvih poremećaja na izmerenu vrednost otklonio, odnosno da bi debalans Wheatstone-ovog mosta bio funkcija samo Fa neophodno je samo postavio bar četiri merne trake kako je to dato na slici 1.3.���������������������� Слика 2. Meрни претварач аксијалне силе при дејству попречне силе��� 2. Merni pretvarač aksijalne sile pri dejstvu poprečne sile� Slide Number 6Slide Number 7Slide Number 8Slide Number 9Slide Number 10Slide Number 11Slide Number 12Slide Number 13Slide Number 14Slide Number 15Slide Number 16Slide Number 17Slide Number 18Slide Number 19Slide Number 20Slide Number 21Slide Number 22Slide Number 23Slide Number 24Slide Number 25Slide Number 26Slide Number 27Slide Number 28Slide Number 29Slide Number 30Slide Number 31Slide Number 32Slide Number 33Slide Number 34