2. Измеряют деформации (в детали или в ее модели), после пересчитывают напряжение, исходя из значения деформации.
Остановимся подробнее на измерениях механических параметров косвенным методом – методом измерения деформаций.
Назовем несколько наиболее часто применяемых методов измерений деформаций в деталях (эти методы универсальны).
Тензометрия. Тензометром называется прибор, которым измеряют параметры деформации, он устанавливается прямо на детали. Тензометр – прибор с системой разветвленных датчиков.
Структурная схема тензометра следующая: датчик >> усилитель-преобразователь > регистратор.
Тензодатчик, у которого много ножек с острием, может быть приклеен на поверхность. Назовем длины участка между ножками тензометра, где определяется измеряемый параметр, длиной тензочувствитель-ной части со средней длиной S.
Относительная линейная деформация
где ΔS – изменение длины тензочувствительной части; Δ – приращение показаний регистратора; m – масштаб тензометра.
Длину тензочувствительного участка часто называют базой прибора; эта длина может дойти до 25 мм.
Чувствительность, а также точность тензометров зависит от того, какую погрешность можно считать приемлемой.
Погрешность определяется по формуле:
где Δε – величина погрешности базы тензометра; Δδ – линейное напряжение поверхности; Е – модуль упругости.
Возникает вопрос: показания (данные) датчика для визуального восприятия ничтожны; как обеспечить увеличение?
Решение этой проблемы зависит от следующих факторов: значений относительной деформации; шкалы регистратора; базы тензометра.
Определяют его по следующей величине:
где V – показатель увеличения тензометра; δmaxs– максимальное значение линейного напряжения по длине S (база тензометра); n – число делений шкалы регистратора; Е– модуль упругости.
46. Определение механических свойств материалов
Важное значение для точности измерений, для срока службы имеет выбор материала.
Но, чтобы выбрать материал, требуется знать его свойства при испытаниях на прочность, выносливость, вязкость, твердость и т. п.
В устройствах имеют место самовозбудительные механизмы, которые являются одним из основных факторов внесения неточностей в измерениях.
Рассмотрим наиболее распространенные из них:
1) самовозбудительные механизмы рычажно-маят-никового типа. Эти механизмы служат для испытаний металлических и полимерных материалов на растяжение, но если их дополнить специальными узлами, то можно применять и для статистических испытаний и других свойств, например, сжатие, изгиб и прочее;
2) испытатель с рычажным силоизмерителем. Выполняются в виде одно-, двух– и трехрычажных. Обладают высокой точностью в пределах 1 – 105 кГ. Для однорычажных машин шкала силоизмерителя считается по формуле:
Для многорычажныx:
3) Маятниковый силоизмеритель. У этих машин шкала не линейна и применяются они с пределом измерения до 150 кГ.
Уравнение шкалы для этих машин имеет вид:
в этой формуле R – длина маятника до центра тяжести груза; r – радиус сектора подвеса верхнего зажима; Q – вес маятника; х – угол поворота маятника, зависит от веса маятника.
Как любому прибору, силоизмерителям также свойственна случайная погрешность, которая зависит от самых разнообразных факторов.
Если требуется испытание материалов на большую прочность (150 < P < 500 кГ), то пользуются силоизме-рителями с равномерной шкалой. Как правило, такие машины имеют корректировку; расчет этих машин проводится по формуле:
где R – длина маятника до центра тяжести; r– длина плеча подвеса; Q – вес маятника; р – измеряемое усилие; β – угол между горизонтальной прямой, соединяющей оси подвеса маятника и точку подвеса верхнего зажима перед нагружением образца; х – угол поворота маятника.
Равномерность шкалы обеспечена, если углы x = β.
Силоизмерители гидравлико-маятникового типа, применяются для испытаний материалов на изгиб, растяжение, сжатие и т. д.
Предел измерений – 20—1500 m.
Расчет для этих силоизмерителей производится по формуле:
47. Контактные методы измерения температуры
Для измерения температуры используются следующие методы.
1. Контактные методы – предполагают наличие надежного контакта с предметом, у которого снимается температура. При таком контакте пределы измерения измеряемой температуры определяются механическими (жаропрочность) и химическими свойствами материала, из которого изготовлен чувствительный элемент термометра.
Верхний предел измеряемых температур ограничен из-за ограничения вышеназванных свойств материала датчика с показателем 2500–3000 о С.
Чувствительность термометра (на 1 °C)
измеряется в миллиметрах.
Их основная характеристика – температурный коэффициент сопротивления:
где В – некоторая постоянная, определяется по таблице и измеряется в кельвинах, Т – температура, К.
Чувствительный элемент у термометров сопротивления – это проволока, намотанная на жесткий изоляционный каркас.
Поскольку сопротивление металлов изменяется по закону (в зависимости от температуры)
R = r0(1 + xt),
где R0 —сопротивление до начала измерения; t – измеряемая температура, то, какими бы точными ни были изготовлены термометры, со временем даже золото и платина окисляются (например, окисью углерода СО), и в результате нарушается точность показаний прибора (термометра).
Для повышения устойчивости работы термометров, например, с платиновым датчиком, изготавливают проволоку с диаметром больше 1 мкм и регистрируют показания датчика с помощью моста из сопротивлений.
Широкое применение нашли термодатчики из сплавов двух металлов, которые могут быть использованы в разных сочетаниях.
Термическая электродвижущая сила меняется по закону:
ε = x (T1-T2)
где T1, T2 – начальная и конечная (рабочая) температуры датчика при измерении, х – коэффициент термической электродвижущей силы, Мв/градус.
48. Бесконтактные методы измерения температуры
Бесконтактные методы измерения температуры. Методы также называют пирометрами. Их преимущества перед предыдущими в том, что из-за их мало-инерционности, которая повышает точность измерений, становится возможной регистрация температуры быстро изменяющихся объектов.
У пирометров вероятный предел измерения не ограничен: однако это не значит, что их нельзя применять для измерения температур в других диапазонах.
Погрешности в показаниях пирометров, к тому же немалые, вызваны необходимостью введения различных поправок при градуировании шкалы прибора.
Пирометры работают по следующему принципу. Из курса атомной и ядерной физики известно, что если имеется абсолютно черное тело с температурой Т, то полная энергия его излучения связана с температурой уравнением:
в котором δ = 5,75 ×10-12 вт × см2 × град-4– постоянная.
При этом имеется такая энергия, которая излучается с площади 1 см2 черного тела за 1 с.
Однако ни одно физическое тело в действительности не является абсолютным черным телом.
Поэтому температуру нагретого тела определяют по формуле
в которой ET определяется эмпирически или из таблицы, является коэффициентом черноты полного излучения.
В пирометрах для компенсации изменений в окружающей среде применяются компенсаторы в виде катушек из никелевой проволоки с конструктивным оформлением в виде термобатареи.
Визирование на расстоянии 1 м от излучателя – это номинальное визирование. Определение погрешности параметра сводится к определению
Δε = (ε2 – ε1),
где ε2, – практическая термическая электродвижущая сила черного тела (излучателя); ε1 – табличные данные термической электродвижущей силы пирометра с соответствующим телескопом (устройство, которое служит для концентрации излучения источника (черного тела) на термоприемник (датчик), состоит из многослойной термобатареи и оптической системы).
Инерционность пирометра – это время, требуемое для установления термической электродвижущей силы, равной 99 % от табличных данных термической электродвижущей силы при комнатной температуре 20 ± 2 °C.
49. Приборы для измерения давления
Давление – это напряженность жидкостей и газов, а также паров, которую формирует некоторое внешнее воздействие на них.
Как измерять эту напряженность?
С этой целью измеряют данные, приходящие на единичную площадь той поверхности, на которую приложено это усилие: причем усилие распределено нормально и равномерно по этой поверхности.
Это усилие определяется с помощью датчика. После данные датчика (датчиков) преобразуются в сигналы упругости, электричества и т. п.
Может случиться, что усилие на поверхности, т. е. напряженность среды, настолько мала, что чувствительность датчиков не может «замечать» это: тогда пользуются другими свойствами среды: теплопрово-димостью, степенью ионизации и другими свойствами, связанными с давлением.
Когда измеряется давление газов, то в определенных пределах его изменение с повышением высоты не учитывается.
С жидкостью же, наоборот: из курса «Гидравлика» известно, что увеличение глубины и давления имеют отношение прямой пропорциональности.
P = ρ0 + γz;
где: P – искомое или измеряемое давление; ρ0 – давление, которое воздействует на поверхность жидкости; γ – удельный вес поверхности, на которую действует давление ρ0; z – высота столба жидкости или глубина жидкости относительно поверхности.
Зависимость является одним из основных принципов, по которым измеряется давление не только жидкостей, но и других сред: кстати, уравнение можно применить для создания заданных давлений.