CC BY
72
УДК 006.91: 681.26 А.А. Коллер
СГГА, ФГУП «СНИИМ», Новосибирск
ПОГРЕШНОСТИ СИЛОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ НЕСОВЕРШЕНСТВОМ СИЛОВОСПРОИЗВОДЯЩИХ СИСТЕМ
В статье рассмотрены вопросы исследования и уменьшения погрешностей силоизмерительных устройств и систем, возникающие вследствие несовершенства силовоспроизводящих систем, передающих размер единицы силы.
A.A. Koller
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA)
10 Plakhotnogo Ul., Novosibirsk, 630108, Russian Federation Siberian State Scientific Research Institute of Metrology (FSUE «SNIIM») pr. Dimitrova, 4, Novosibirsk, 630004, Russia
ERRORS OF FORCE MEASURING INSTRUMENT ARISING BECAUSE OF IMPERFECTION OF SYSTEMS CREATING LOADING
In article questions of research and reduction of errors of force measuring instrument and systems, arising owing to imperfection the systems transferring the size of unit of force are considered.
Передача единицы физической величины - одна из основных составляющих метрологической деятельности в области обеспечения единства измерений. Воспроизведение и передача единицы силы в России, как во всем мире, осуществляется с использованием силовоспроизводящих систем (машин) и переносных силоизмерительных устройств (динамометров, датчиков). Указанные средства измерений «чередуются» на различных уровнях поверочной схемы как в существующем ГОСТ 8.065-85 [1], так и в новом ГОСТ Р 8.663-2009 [2], который вступает в России в действие с 1 июля 2011 года. Новый стандарт меняет «очередность» силовоспроизводящих машин и переносных динамометров, устанавливая рабочими эталонами 1-го разряда именно стационарные машины, а не переносные динамометры, как это было в предыдущем документе. Внедрение нового стандарта вызывает много вопросов, связанных с недостаточной готовностью технической и нормативной базы отечественной метрологии в этом виде измерений. Однако основные принципы воспроизведения и передачи единицы силы не изменились. В качестве высших по точности эталонных средств используются установки непосредственного нагружения, которые воспроизводят значения силы по массе входящих в них
мер и по установленному значению ускорения свободного падения. Передача воспроизводимой первичным эталоном единицы силы рабочим эталонам и средствам измерений осуществляется переносными динамометрами механического или электромеханического типа и силовоспроизводящими машинами, реализующими принцип непосредственного нагружения рычажного или гидравлического действия. Переносной динамометр устанавливается в рабочее пространство машины, после чего на него воздействуют задаваемые нормированные нагрузки. Таким образом, проводится поверка и градуировка силовоспроизводящей установки или переносного динамометра в зависимости от их положения в поверочной схеме.
Необходимо отметить, что основной проблемой измерений силы является то, что задачей устройства для измерений силы (прилагаемой нагрузки) является преобразование векторной величины (силы) в скалярную величину, то есть такую, которая однозначно описывается одним параметром. Так, основной погрешностью переносных динамометров является случайная составляющая, связанная в основном с особенностями передачи нагрузки от силовоспроизводящей системы на динамометр. Динамометры на растяжение менее подвержены данному влиянию, поскольку передача нагрузки через резьбовой хвостовик с последующим упругим шарниром практически не создает на динамометре паразитных изгибающих моментов и боковых нагрузок. На динамометры, работающие на сжатие, нагрузка передается через опорные механические площадки реверса. Это создает приложенные к упругому телу дополнительные составляющие нагрузки - нестабильные изгибающие моменты и боковые не измеряемые нагрузки, оказывающие существенное влияние на измерение основной силы, проявляющееся в невоспроизводимости показаний.
На рисунке показана типичная конструкция опорной площадки и реверса, состоящая из двух колонн 1, заделанных в поперечину 2, на которой установлен динамометр 3. Жесткость опорной площадки, состоящей из поперечины 2 велика в направлении колонн и, наоборот, незначительна в перпендикулярном направлении. Смещение оси динамометра с линии а - а, проходящей через центры жесткости колонн, вызывает появление изгибающего момента и поворота опорной площадки в процессе нагружения динамометра. Следовательно, ось динамометра отклоняется от направления нагрузки. Такие же процессы происходят и при передаче нагрузки на силовводящий узел динамометра. Таким образом, на динамометр действуют изгибающие моменты и составляющие нагрузки, часто называемые «перерезывающими силами», в двух плоскостях, поскольку изгибающий момент одной траверсы будет перпендикулярен большей жесткости другой траверсы, и наоборот.
Рис. Конструкция опорной площадки и реверса силовоспроизводящей машины
Конструкция опорной площадки, описанная выше, используется в большинстве применяемых в настоящий момент силовоспроизводящих систем. Следует отметить, что непосредственный контроль характеристик соосности рабочего пространства таких систем при их эксплуатации не проводится. Так, в соответствии с требованиями ГОСТ 25864-83 [3], отклонение от соосности захватов машин должно быть не более 1 мм при нагрузке, равной 50% номинальной. При этом не устанавливается метод контроля данной характеристики. Контроль соосности происходит «косвенно», через показания динамометра при измерении силы. Так, если при поверке силовоспроизводящей системы переносным динамометром полученные показания выходят за пределы допускаемых отклонений, есть основания предполагать, что это произошло вследствие некорректной установки динамометра в рабочем пространстве.
Вопросы влияния векторного характера измеряемой величины при измерениях силы и передаче единицы силы были поставлены еще более 40 лет назад, например, в работах специалистов Научно-исследовательского и конструкторского института испытательных машин, приборов и средств измерения масс (НИКИМП). Однако нельзя не отметить, что многие из этих вопросов остаются открытыми и в настоящий момент. Принцип действия большинства современных средств измерений силы и массы основан на преобразовании деформации упругих элементов, возникающей под действием силы тяжести взвешиваемого груза, в аналоговый или цифровой электрический сигнал, изменяющийся пропорционально нагрузке. Как правило, в качестве измерительных элементов в таких средствах измерения применяются серийно выпускаемые тензорезисторные датчики. Стремительный переход к тензометрическим методам измерений силы и массы произошел в 90-х годах во время кардинальных преобразований в экономической сфере [4]. В большинстве случаев использовались (и продолжают использоваться и в настоящий момент) тензорезисторные датчики и вторичная аппаратура иностранного производства, что остро ставило вопрос гармонизации международной и российской нормативных баз в области изготовления и эксплуатации средств измерений массы. Также нельзя не отметить, что из-за
прекращения государственного финансирования в конце 1980-х годов работы по созданию нового и совершенствованию имеющегося в эксплуатации оборудования, составляющего метрологическую базу, были приостановлены, что затронуло наравне с другими видами измерений также измерения массы и силы.
Вместе с тем, работы по изучению влияния вектора приложения нагрузки при измерениях силы все же проводились. В частности, разрабатывались силоизмерительные датчики, позволяющие определить модуль и направление в пространстве прикладываемой силы, а также проводились эксперименты по моделированию невертикального приложения нагрузки к силоизмерительным устройствам [4]. Актуальность подобных исследований возрастает в настоящий момент в связи с всё новыми требованиями к характеристикам измерительной аппаратуры и к методам её испытаний и поверки. Так, многие изготовители сило- и весоизмерительных устройств указывают в литературе рекламного характера, что их изделия сохраняют метрологические характеристики при
50
.
Однако в настоящий момент не существует нормативных документов, устанавливающих методы проверки такой характеристики, и, как следствие, она не может быть нормирована в технической документации.
Зависимость воспроизведения силоизмерительным устройством значения прилагаемой нагрузки от вектора приложения силы и положения устройства в нагружающей системы была проиллюстрирована, в частности, в [5]. В этой работе приведены данные по изменению показаний осесимметричного датчика цилиндрической формы при его повороте вокруг оси симметрии, а также изменение показаний датчика при каждом «отрыве» опорной площадки реверса от силовводящего узла датчика. Различное поведение отдельной измерительной системы и той же системы, встроенной в измерительную установку, является еще одной важной особенностью измерений силы.
Вопрос влияния векторного характера измеряемой величины работу сило- и весоизмерительных систем остается в нестоящий момент недостаточно проработанным. Дальнейшие исследования в этом направлении позволит повысить точность выполняемых измерений и качество работ по обеспечению единства измерений. Перспективными направлениями в данных исследованиях являются:
- Контроль соосности элементов рабочего пространства и геометрических параметров силозадающей системы методами линейных и угловых измерений;
- Контроль значения и направления составляющих нагрузки многокомпонентными силоизмерительными датчиками, устройство которых позволяет определить модуль и направление в пространстве прикладываемой силы;
- Разработка устройств, позволяющих моделировать невертикальное приложение нагрузки к силоизмерительным устройствам в стандартных силовоспроизводящих системах.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. ГОСТ 8.065-85. Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерения силы
2. ГОСТ Р 8.663-2009. Государственная поверочная схема для средств измерения силы
3. ГОСТ 25864-83 Машины силоизмерительные образцовые 2-го разряда. Общие технические требования
4. Цибин И.Г. Особенности проведения испытаний весо- и
силоизмерительных систем, допускающих возникновение неосевой нагрузки / И.Г. Цибин, А.А. Коллер // Материалы Х международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2010» -
Новосибирск, 2010. - С.70-72.
5. Коллер А.А. Сравнительный анализ методов испытаний тензорезисторных датчиков для целей утверждения их типа и условий работы в составе большегрузных весов / А.А. Коллер // Сборник научных трудов аспирантов и молодых ученых Сибирской государственной геодезической академии. Вып. 5. - Новосибирск: СГГА, 2008. - С. 20 - 26.
© А.А. Коллер, 2011
