CC BY
16
УДК 620.1.08+53.084.6
С.Г. Тютрин1, Л.Ю. Копыленко2 1 Курганский государственный университет 2Курганская государственная сельскохозяйственная академия имени Т.С. Мальцева
ПОРТАТИВНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАТИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОТЕНЗОМЕТРИИ
Аннотация. Для измерения статических напряжений, деформаций или нагрузок предложено портативное цифровое устройство, выполненное на базе электронного безмена. Описаны конструкции месдозы и тензометричес-кой балки для определения воздействия движителя на почву. Работа нацелена на обеспечение широкого применения электрической тензометрии при малых затратах на приобретение аппаратуры.
Ключевые слова: электрическая тензометрия, мес-доза, определение свойств почвы.
S.G. Tyutrin1, L.Yu. Kopylenko2
1 Kurgan State University,
2Maltsev Kurgan State Agricultural Academy
PORTABLE DEVICE FOR STATIC ELECTROTENSOMETRY
Abstract. A portable digital device for metering static stresses, strains and loads is offered. This device is made based on a portable electronic steelyard. The design of a pressure capsule and strain-gauge beam used for determining force produced by propelling agents on soil are described. The paper is aimed at ensuring widespread adoption of electric strain metering with low cost of de-vices.
Keywords: electric strain metering, pressure capsule, soil test.
ВВЕДЕНИЕ
Несмотря на наличие большого разнообразия [1-3] способов измерений, электрическая тензометрия [1] является основным методом исследования напряжений, деформаций и усилий, возникающих в деталях и элементах конструкций самого широкого назначения. При этом состав применяемого измерительного оборудования варьируется от уже снятых с производства массивных и габаритных аналоговых тензостанций с магазином сопротивлений и гальванометром до современных многоканальных цифровых измерительных комплексов на базе персонального компьютера или ноутбука, стоимость которых достигает нескольких сотен тысяч рублей.
Целью настоящей работы было изготовить тензомет-рическое устройство, сочетающее в себе высокую точность измерений, удобство применения, низкую стоимость и легкодоступность.
1 СОСТАВ БАЗОВОЙ КОНСТРУКЦИИ
Предложено для измерения статических напряжений, деформаций или нагрузок применить портативное цифровое устройство, изготавливаемое крупносерийно и поэтому являющееся доступным, недорогим, но обладающим высокими метрологическими характеристиками. Для этого нами использован электронный безмен про-
изводства КНР марки Portable Electronic Scale фирмы WeiHeng стоимостью 400 рублей, предназначенный для взвешивания грузов до 40 кг с максимальной погрешностью 20 г В разобранном виде (рисунок 1) он представляет собой электронно-измерительный блок 1 и механическую измерительную систему с тензорезисторами 2. Части 1 и 2 соединены между собой четырьмя проводами, из которых красный и черный подают питание на диагональ моста тензорезисторов, а зелёный и белый передают сигнал от второй диагонали тензомоста на обработку в блок 1.
1 - электронно-измерительный блок; 2 - механическая
измерительная система с тензорезисторами Рисунок 1 - Электронный безмен Portable Electronic Scale в разобранном виде
2 КОНСТРУКЦИИ ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА
На рисунке 2 представлена конструкция месдозы, выполненная на основе описанного электронного безмена. При этом использованы его тензобалка 3 и тензо-резисторы, удлинены соединительные провода, а внутри месдозы применены траверсы 2 и 4, преобразующие измеряемое усилие сжатия F на дисках 1 и 5 в растягивающее усилие стержней. Поскольку использована штатная механическая измерительная система (укороченная за счёт обрезки стержня с крепёжным кольцом и стержня с нагрузочным крюком), то дополнительной калибровки не потребовалось.
На рисунке 3 представлена конструкция механической измерительной системы, собранная из развёрнутых в линию штатных балок электронных безменов. При этом для восприятия нагрузки на правом краю балок установлена упорная пята, а отверстие у левого края используется для крепления. Проведённая дополнительная калибровка данной схемы показала незначительные изменения в показаниях прибора.
Поскольку материал и размеры поперечного сечения тензобалки, а также расположение и параметры тензорезисторов в рассмотренных конструкциях не меняются, то величина сигнала зависит от алгебраической разницы изгибающих моментов АМи в контролируемых сечениях. Для первой схемы (рисунки 2 и 4а), в соответствии с правилами [4], получаем:
АМи= -Fa-Fa= -2Fa ,
где а - расстояние между серединой тензобалки и расчётным сечением положения тензорезистора.
Для второй схемы (рисунки 3 и 4б):
АМи= -F(l+a)-(-F(l-a))= -2Fa ,
что полностью совпадает с предыдущим ответом.
п
1
- а |
1 а
|
а а
б
б
1, 5 - диски упорные; 2, 4 - траверсы; 3 - балка
с тензорезисторами Рисунок 2 - Схема (а) и конструкция (б) месдозы
Рисунок 3 - Механические измерительные системы в виде балок с тензорезисторами от электронных безменов Portable Electronic Scale
Рисунок 4 - Механические измерительные системы в виде балок с тензорезисторами от электронных безменов Portable Electronic Scale
3 ПРИМЕРЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ПРАКТИЧЕСКОГО
ПРИМЕНЕНИЯ
Описанная конструкция (рисунок 1) успешно используется на кафедре теоретической механики и сопротивления материалов Курганского государственного университета взамен выработавшей свой ресурс тензостанции ИДЦ-1 при выполнении лабораторных работ по определению напряжений при изгибе двутавровой балки и при кручении тонкостенной трубы. При этом тензорезисторы (типа КФ5П1-10-200-Б-12) наклеивались на исследуемые конструкции и подключались к электронно-измерительному блоку вместо штатной измерительной механической системы электронного безмена. По результатам калибровочных испытаний установлено, что единице показания прибора (по шкале «kg») соответствует величина напряжения около 7,8 МПа.
Конструкции, изображённые на рисунках 2 и 3, предназначены для определения давления движителей на почву а также для оценки влияния структуры и состояния почвы на её сопротивление уплотнению [5]. При этом чувствительный элемент по второму варианту (рисунок 3) устанавливается внутрь щупа прямоугольного сечения, а сам щуп вводится в почву горизонтально на заданной глубине из предварительно подготавливаемой лунки.
Недостатком использования описанного устройства является то, что оно автоматически отключается после двух минут работы, а после каждого нового включения устанавливается новый нуль (уровень) отсчёта.
Аналогична описанной конструкция электронного безмена марки IR-7450 компании Yongkang Hardware City Import&Export Co LTD. Однако в данном безмене отсутствует возможность отключения опции фиксации показаний, что затрудняет его применение в качестве тензо-метрического устройства.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Описанные варианты аппаратурного оформления электрической тензометрии обеспечивают высокую точность измерений статических или медленно меняющихся процессов при малых затратах и являются универсальными в применении.
а
а
СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 10
109
Список литературы
1 Пригоровский Н. И. Методы и средства определения полей
деформаций и напряжений: справочник. М. : Машиностроение, 1983. 248 с.
2 Тютрин С. Г. Техническая диагностика металлическими покрытиями:
монография. Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та, 2007. 143 с.
3 Тютрин С. Г., Манило И. И., Городских А. А., Герасимов С. В.
Усталостный датчик из оловянной фольги // Тракторы и сельхозмашины. 2013. №9. С. 82-84.
4 Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Изд-во МГТУ
им. Н.Э. Баумана, 2010. 590 с.
5 Чумаков В. Г., Копыленко Л. Ю. Способы борьбы с уплотнением почвы //
Вестник КГСХА. 2014. №2. С. 65-67.
УДК 621. 89
О.Т. Алматаев, Ю.Г. Шипулин Ташкентский государственный технический университет Республика Узбекистан
ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ РЕФЛЕКТИВНОГО ТИПА ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ ЖИДКОСТНЫХ И ГАЗОВЫХ ПОВЕРОЧНЫХ РАСХОДОМЕРНЫХ УСТАНОВОК
Аннотация. В работе представлена функциональная схема экспериментальной автоматизированной программируемой поверочной испытательной установки расходомеров-счетчиков жидкостей, разработанная на основе оптоэлектронных преобразователей рефлективного типа.
Ключевые слова: функциональная схема, эксперимент, автоматизация, программа, испытательная установка, расходомер-счетчик, жидкость, разработка, оптоэлек-тронный преобразователь, рефлективный тип.
O.T. Almataev, Yu.G. Shipulin Tashkent State Technical University, The Republic of Uzbekistan
OPTOELECTRONIC TRANSDUCERS OF A REFLECTIVE TYPE FOR AUTOMATION OF HYDRONIC AND GAS-FIRED CHECK-OUT FLOW-MEASURING INSTALLATIONS
Abstract. The paper presents a functional chart of an experimental automated programmable checkout testing installation of the flowmeters of liquids. The installation has been developed from optoelectronic transducers of a reflective type.
Keywords: functional chart, experiment, automation, programme, test installation, flowmeter, liquid, development, optoelectronic transducer, reflective type.
В настоящее время жидкостные и газовые поверочные расходомерные устройства широко применяются для поверки и аттестации различных жидкостных и газовых расходомеров и счетчиков.
К поверочным расходомерным устройствам предъявляются высокие требования по точности, надежности, быстродействию, стоимости и технологичности изготовления. Кроме того, требуется, чтобы в поверочных
установках процессы поверки и обработки результатов измерения были автоматизированы на основе современных достижений микропроцессорной техники.
В жидкостных расходомерных установках этим требованиям наиболее полно удовлетворяют установки с мерными баками, в которых необходимо точно фиксировать объем и время заполнения жидкостью.
В газовых расходомерных установках этим требованиям наиболее полно удовлетворяют колокольные установки, в которых необходимо точно фиксировать положение и время перемещения колокола.
Анализ существующих датчиков положения показал, что для поверочных расходомерных установок наиболее пригодны оптоэлектронные преобразователи на основе отражения светового потока, которые имеют ряд достоинств: простоту и компактность конструкции; высокие чувствительность и точность, а также удобство монтажа и установки на элементах газомерного устройства. Исходя из этого, за основу разработки оптоэлектронного преобразователя взят принцип построения на основе отражения светового потока.
Проведенный анализ принципов построения оптоэлектронного преобразователя рефлективного типа для поверочных устройств позволил сделать следующие выводы:
1 Характерными конструктивными признаками ОПРТ для расходомерных устройств являются:
а) наличие следующих основных элементов: сосредоточенного источника излучения (СИИ); кольцевого приемника излучения (КПИ); цилиндрического рефлективного элемента (РЭ); измерительной схемы (ИС);
б) наличие цилиндрического рефлективного элемента, модулирующего световой поток, светоотражающая поверхность которого характеризуется геометрическими параметрами и отражательной способностью.
2 Роль цилиндрического рефлективного элемента заключается в эффективном модулировании светового потока от поверхности РЭ и создании на светочувствительной поверхности приемника излучения импульса светового потока при различных положениях и перемещениях подвижных элементов поверочных устройств.
3 Роль световодов заключается в создании эффективных путей прохождения светового потока от ИИ к РЭ, устранении влияния внешнего светового фона и отвода отраженного светового потока к приемнику излучения.
4 Роль измерительных схем заключается в создании на выходе ОПРТ необходимых выходных электрических аналоговых или цифровых сигналов для систем контроля и управления поверочным устройствами.
Зная роль тех или иных элементов в конкретной конструкции ОПРТ, можно определить назначение преобразователя, основные характеристики и преимущества при его применении в поверочных устройствах.
Для анализа принципа построения и разработки математических моделей ОПРТ разработана графовая модель, представленная на рисунке 1.
Согласно графовой модели ОПРТ цепь питания ИИ представлена подграфом иэ11э1 (электрическое напряжение и ток), для которого схемная функция ТЭ1 с параметром ПЭ1 отображает структуру цепи питания ИИ. В цепи 1Э1, Ф01(0) ток 1Э1 преобразуется в световой поток Ф01 (о) , что отображается коэффициентом межцепной связи К2[ 1Э1, Ф01(0) ]. Световой поток Ф01(х) от ИИ при х=0 распространяется до РЭ и определяется по формуле:
x) = I о
( хо + x)2
(1)
