Слаботочка Книги

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 [24] 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36

Для измерения температуры можно пользоваться термопарами или термометрами сопротивления, расположенными около тензорезнстора. При непостоянстве температуры в разных точках детали для измерения температуры и деформаций следует пользоваться датчиком, включающим в себя тензочувстви-тельный и термочувствительный элементы, расположенные на одной основе, так называемом тензотерморезистором. Термочувствительный элемент, выполненный из термочувствительного материала, обрамляет тензочувствительный элемент с трех сторон одним или несколькими витками. Такое расположение термочувствительного элемента позволяет измерить среднюю температуру поля вокруг тензочувствительного элемента, которая будет наиболее близкой к средней температуре чувствительного элемента тензорезнстора.

При использовании способа внесения поправки необходимо, чтобы тензорезистор имел воспроизводимую температурную характеристику при повторных нагревах и чтобы ее значения были относительно невелики. Последнее приводит обычно к требованию сочетания метода внесения поправки с приведенными выше методами термокомпенсации тензорезисторов.

6. ВНЕСЕНИЕ ПОПРАВКИ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ ДЕФОРМАЦИЙ В УСЛОВИЯХ РЕЗКО НЕСТАЦИОНАРНЫХ ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ

В ряде случаев температура чувствительного элемента и температура детали под тензодатчиком могут отличаться. Например, это различие может возникнуть при быстрых изменениях температуры окружающей среды или в случае прохождения через тензорезистор тока большой силы.

При неравенстве температур чувствительного элемента и детали температурная характеристика сопротивления теизорезистора запишется в виде

5, а (2 - о) + 1?м (1 - о) - к (к - о)1 К„р, (130)

где to - начальная температура детали и чувствительного элемента тензорезнстора; ti, <2 - температура детали и чувствительного элемента тензорезнстора соответственно.

Первый член уравнения (130) представляет собой изменение сопротивления при изменении температуры от to до <2 свободной ненаклеенной решетки, член в квадратных скобках представляет собой изменение сопротивления за счет деформации чувствительного элемента в связи с неодинаковым по значению тепловым расширением его материала и материала детали.

Уравнение (130) можно представить в виде

а (1 о) + (Э„ - Э,) /С„р (1 - о) +

+ (a-?,/Cnp)(/2-i)- (131)


Сравнивая это уравнение с уравнением (119), при выводе которого считалось t=t\ = t2, видно, что эти два выражения отличаются членом

$ве=т = (а-Рчпр)(2-1).

Знак и значение несг зависят от свойств чувствительного элемента тензорезнстора (сс, Рч, /Спр) и от температур t2 и tu которые зависят от условий теплопередачи. При использовании различных материалов в качестве чувствительного элемента тензорезнстора встречаются случаи:

а>Рч/<пр. т. е. (а-р,/Спр)>0;

( = кК„р, т. е. (а-?,/Г„р)=0;

а<№р, т. е. (а-р,/Спр)<0.

Рассмотрим только последний случай, т. е. сс<Рч/Спр, наиболее часто встречающийся в большинстве типов тензорезисторов.

При исследовании напряженного состояния ряда конструкций измерение деформации производится в условиях, при которых скорость изменения температуры может достигать 5- 10°С/с и более. При таких скоростях нагрева будет возникать разность температур чувствительного элемента и детали под тензорезистором. Применение метода внесения поправки осложняется в этом случае тем, что температурная характеристика сопротивления теизорезистора, по которой будет вноситься поправка, предварительно определенная при медленном ступенчатом нагреве, будет отличаться от действительного температурного приращения на нест- Измерение температуры чувствительного элемента 2 и детали под тензорезистором ti для внесения поправки на температурное приращение сопротивления по формуле (131) практически трудно осуществить.

Чтобы при измерении деформаций в условиях резко нестационарных температур найти возможность использования способа внесения поправки на температурную характеристику сопротивления, были проведены исследования по определению степени отличия температурных характеристик сопротивления наклеенных на балку тензорезисторов для случаев медленного ступенчатого нагрева и быстрых нагревов с различными скоростями.

Во избежание возникновения при быстрых нагревах температурных напряжений в результате неравномерного нагрева по толщине балки тензорезисторы наклеивались на тонкие (толщиной 1 мм) балки. Влияние возможного коробления балки в результате неравномерного прогрева ее по длине на температурные характеристики сопротивления тензорезисторов исключалось тем, что тензорезисторы, наклеенные на пластину с двух



сторон один под другим, соединялись последовательно и включались в активное плечо измерительного моста. При медленном ступенчатом нагреве температурная характеристика сопротивления тензорезисторов определялась согласно ГОСТ 21615-76. Быстрый непрерывный нагрев осуществлялся двумя способами* потоком горячего воздуха и электрическим током, пропускаемым через балку.

При определении температурной характеристики сопротивления в условиях быстрых нагревов температура измерялась с помощью термометра сопротивления из проволоки сплава Н50К10, расположенного с трех сторон тензочувствительной решетки, т. е. использовалась конструкция тензотерморезисто-ра, описанная выше.

Температурные характеристики сопротивления тензотермо-резисторов типа ВТК [24], определенные при различных скоростях нагрева горячим воздухом и электрическим током, приведены на рис. 77. Линией (-О-) изображена температурная характеристика сопротивления, полученная при медленном ступенчатом нагреве. В качестве тензочувствительного элемента тензотерморезисторов типа ВТК использовалась константано-вая проволока, отожженная при 393 и 450 °С.

Как видно на рис. 77, при быстром нагреве потоком горячего воздуха температурные характеристики лежат ниже кривой.

3000

2000

\i,=24i:lc

3000

2000

V,23Clc IB

200 6}

300 t,c

200 а)

300 t;c

Рис. 77. Температурные характеристики сопротивления наклеенных иа стальную балку тензорезисторов ВТК из константановой проволоки при различных скоростях нагрева Ия электрическим током (---) и потоком горячего

воздуха (---):

а - проволока, отожженная при 393°С; б - при 450°С {-О--при медленном ступенчатом иагреве)

полученной при медленном ступенчатом нагреве, а при нагреве электрическим током -выше нее. Это объясняется тем, что при нагреве потоком горячего воздуха в местах расположения тензорезисторов условия передачи теплоты к пластине несколько хуже, чем к тензочувствительной проволоке, которая отделена от источника нагрева более тонким слоем связующего, чем участок пластины под тензорезистором. Поэтому температура 2 проволоки тензорезистора при нагреве воздухом будет на некотором промежутке времени большей, чем температура детали под тензорезистором:

2-1>0, S„ecT<0.

Кривая температурной характеристики сопротивления будет лежать ниже кривой, полученной при медленном ступенчатом нагреве, при котором можно считать, что пластина и проволока имеют одинаковую температуру.

При нагреве электрическим током сначала прогревается пластина, затем решетка тензорезистора, и температура 2 проволоки тензорезистора будет на некотором промежутке времени меньше, чем температура пластины под тензорезистором:

Значение вест>0 будет получено не только при нагреве пластины электрическим током, но и в любом другом случае, если нагрев тензорезистора осуществляется путем теплопередачи через металл детали (например, исследуемая деталь нагревается потоком воздуха с внешней стороны, а тензорезисторы, расположенные на внутренней поверхности детали, не подвергаются непосредственному обдуву).

Очевидно, что, чем выше скорость нагрева, тем больше разность температур чувствительного элемента тензорезистора и детали и тем больше значения температурной характеристики сопротивления отличаются от значений характеристики, полученной при ступенчатом нагреве, когда эти температуры одинаковы. Эта разность при нагреве горячим воздухом в несколько раз больше, чем при нагреве электрическим током при близких скоростях нагрева.

Разность значений температурных характеристик сопротивления зависит также от члена (сс-Рч/Спр), который будет тем меньше, чем больше сс. Так константановая проволока, отожженная при 450°С, имеет больший температурный коэффициент сопротивления а, чем проволока, отожженная при 390°С, и при одних и тех же скоростях нагрева значение нест у таких тензорезисторов меньше. Температурные характеристики сопротивления таких тензорезисторов при больших скоростях нагрева отличаются от характеристики при медленном нагреве в мень-



шей степени, чем у тензорезисторов, изготовленных из проволоки, отожженной при 393°С.

На основании проведенных исследований можно считать, что в случае, когда тензорезисторы ВТК наклеиваются с той стороны детали, которая не подвергается прямому воздействию источника теплоты, и скорости нагрева не превышают 16- 20°С/с, при измерении деформаций в условиях нестационарного температурного поля можно пользоваться методом внесения поправки по температурным характеристикам, определенным при медленном нагреве.

Следует отметить, что допустимые скорости нагрева зависят также и от теплопроводности конструктивных элементов теизорезистора и детали, на которую устанавливается тензорезистор. Так, тензорезисторы ЭТК [76] с чувствительным элементом из константановой проволоки, наклеенные на коррозионно-стойкую сталь, имеют температурные характеристики сопротивления, практически совпадающие при нагреве балки током со скоростью 1-28°С/с (рис. 78).

Исследования, проведенные [88] с тензорезисторами со связующим ВН-15 и чувствительным элементом из НМ23ХЮ,

6000

5000

3000

1000

250 t°C

Рис. 78. Температурные характеристики сопротивления наклеенных на коррозионно-стойкую сталь тензорезисторов ЭТК из константановой проволоки, отожженной при 393°С. Нагрев электрическим током со скоростью, "С/с:

ф-26; X -20; О - 12; Д - 13; □ - 28; V - 7;

установленными на стержень из коррозионно-стойкой стали, показали, что при нагреве стержня электрическим током со скоростью до 40°С/с разность температур чувствительной проволоки и стержня под тензорезистором не превышала 5°С, на основании чего сделан вывод о воз-можности применения этих приклеиваемых тензорезисторов в условиях быстро меняющихся температур со скоростью до 40°С/с.

Заметим, что кроме приведенных способов существуют и другие способы компенсации, которые, однако, не нашли широкого распространения в практике тензометрирования, например способ компенсации температурного приращения сопротивления с помощью термоЭДС термопары [83], расположенной возле тензодатчика, и компенсации температурного приращения сопротивления полупроводниковых тензодатчиков из монокристалла кремния с помощью термистора, расположенного возле чувствительного элемента [58], и др.




0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 [24] 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36
Яндекс.Метрика