Секацкий В.С., Мерзликина Н.В. Методы и средства измерений и контроля

Подождите немного. Документ загружается.

223

Рис. 14.1. Классификация весов по принципу их действия

В них координатой перемещения является угол (р отклонения весового

рычага. Наличие коромысла позволяет реализовать метод сравнения с

мерой.

В зависимости от принципа уравновешивания подвижной системы

весов различают самоуравновешивающиеся приборы, а также весы с

ручным и автоматическим уравновешиванием. В самоуравновешивающихся

весах равновесие подвижной системы достигается

за счет внутренней энергии прибора. Если

уравновешивающее усилие создается моментом

присоединенного к весовому рычагу упругого

элемента или упругой силой

пружины,

самоуравновешивающиеся весы называют пружин-

ными, если моментом гравитационной пружины

весового рычага, — гравитационными.

Гравитационными могут быть только рычажные

весы, пружинными — как рычажные, так и

безрычажные.

Для создания упругой силы используют

торсионные, спиральные и винтовые пружины. В

качестве гравитационной пружины используется

любое тело (рис. 14.2), у которого центр тяжести

расположен ниже оси

вращения.

При отклонении рычага на угол возникает противодействующий

момент

пр

ϕρ

sin

PПР

gmM =

(14.4)

где m

- масса рычага.

При малых углах поворота:

Рис. 14.2. –

авита

ионные

224

gПР

(14.5)

где ρ - расстояние от оси вращения до центра тяжести;

gmM

- жесткость гравитационной пружины.

При измерении с использованием рычажных гравитационных весов

достигается наивысшая точность, так как показания весов не зависят от

Приборы с ручным или автоматическим уравновешиванием имеют

замкнутую цепь преобразования входного сигнала. С помощью обратного

преобразователя вырабатывается восстанавливающая сила,

компенсирующая возникающее в процессе взвешивания неравенство между

вх

g и Q

ОП

, где Q

ОП

— восстанавливающая сила.

14.1.3. Классификация рычажных весов

по конструктивным признакам

В зависимости от типа опор весового рычага различают весы с

жесткими и упруго деформируемыми опорами. Наиболее

распространенными жесткими опорами являются призмы. Иногда в

качестве опор применяют пару керн подпятник (весы с опорами на кернах).

Весы, имеющие в качестве

опор призмы, бывают

равноплечими,

двухпризменными и

квадрантными.

Равноплечие весы (рис.

14.3) конструктивно

выполняются

следующим

образом. Симметричный

рычаг 5 с двумя

грузоприемными призмами 2

установлен опорой 4 на не-

подвижную плоскую

подушку 3. На

грузоприемных призмах 2 с

помощью плоских подушек 1

установлены симметричные

подвесы 6, несущие груз 10 и

гирю 7. Стрелка 8 с

микрошкалой 9 является

частью рычага 5.

Двухпризменные, или

одночашечные, весы (рис.

14.4) представляют собой

Рис. 14.3. Равноплечие весы

Рис. 14.4. Двухпризменные, или

одночашечные, весы

225

несимметричный рычаг 4 с опорной и грузоприемной 2 призмами, который

опирается на неподвижную плоскую подушку 7. На грузоприемную призму 2

устанавливается с помощью плоской подушки 1 грузоприемный рычаг 10,

снабженный специальной рейкой 8 со встроенными грузами 9. На одном из

концов рычага 4 установлена микрошкала 6. Несимметричный рычаг урав-

новешивался противовесом 5. Работа весов осуществляется следующим

образом. При установке на грузоподъемной чашке

груза с помощью

специального устройства с рейки 8 снимается такое количество гирь,

чтобы их суммарная масса примерно соответствовала массе груза.

Имеющаяся разность в массе груза и гирь определяется по шкале 6.

Для счета больших количеств одинаковых деталей можно

использовать счетные весы. Весы состоят из двух рычагов (рис. 14.5).

Нижний рычаг имеет отношение плеч FE:FC=1:10.

К его призме Е

подвешена большая чашка 4 для подсчета деталей. На расстоянии FL=EF

помещена призма, к которой подвешена малая чашка 3. Так как плечи FL=EF

равны, то для уравновешивания находящихся в большой чашке деталей

необходимо в малую чашу 3 поместить такое же количество деталей. Эта

чаша называется чашей единиц 3. Верхний рычаг тоже имеет отношение

плеч

АО : OD=1 : 10. К концевой призме D рычага подвешена чаша 2. На

полотне верхнего рычага на расстоянии ОВ=ОА помещена дополнительная

призма для навески еще одной чаши 1.

Квадрантные весы, или весы с верхним расположением грузоприемной

чашки (рис. 14.6), Крутильные весы применяют для быстрого взвешивания

навесок до 5 мг. На рис.

14.7 представлена схема

крутильных весов.

Коромысло

1 жестко

прикреплено к упругой туго

натянутой нити

закрепленной по концам.

Навеска груза помещается

в чашку

3, подвешенную к

коромыслу. Мерой массы

Рис. 14.5. Счетные весы.

Рис. 14.6. Квадрантные весы

226

является угол закручивания упругой нити.

Весы с плоской спиральной пружиной (торсионные) выпускают с

пределами взвешивания от 5 мг до 5 г (рис. 14.8). В этих весах плоская

спиральная пружина 1 выполняет функции чувствительного элемента. Она

одним концом прикреплена к стальной закаленной оси 6, другим— к стрелке

2. Ось 6 вращается в подпятниках 8 и 13. Один из них неподвижен,

а второй

запрессован в рукоятку 9 и вращается вместе с ней во втулке,

установленной в рамке 12. Со свободным концом плоской спиральной

пружины 7 связана рукоятка. Второй конец пружины закреплен на оси.

Этот механизм предназначен для установки весов на нулевую отметку.

Взвешиваемый груз помещают на коромысло 11 с крючком 10, закрепленное

на оси. Система, состоящая из

алюминиевого сектора 5, сидящего на оси, и

магнита 4, укрепленного на корпусе весов, служит для магнитного

успокоения.

Рычажные весы отличаются предельной простотой конструкции и

высокими метрологическими характеристиками: устойчивостью,

чувствительностью, верностью и постоянством весов.

Устойчивость - это способность весов, выведенных из состояния

равновесия, возвращаться после малого числа колебаний в первоначальное

положение.

Для достижения устойчивости весовой рычаг должен находиться в

состоянии устойчивого равновесия, т. е. центр тяжести рычага должен

быть

ниже точки опоры на линии, проходящей через эту точку. Степень

устойчивости зависит от того, насколько удален центр тяжести от опо-

ры: чем ниже находится центр тяжести, тем больше устойчивость весов

и тем большую надо приложить силу, чтобы вывести весы из равновесия.

Чувствительность - отношение линейного или углового перемещения

указателя к изменению

измеряемой величины, вызвавшему это перемещение.

Чем больше это отношение, т. е. чем меньше разность в массе тел, находя-

Рис. 14.7. Крутильные весы

Рис. 14.8. Торсионные весы

227

щихся на чашках весов, которую весы способны обнаружить, тем они

чувствительнее. Для точного взвешивания желательно иметь весы,

чувствительность которых не зависит от массы груза. Этому требованию

удовлетворяют весы, у которых опорная призма располагается на одной

линии с грузоподъемной. Однако, обладая высокой чувствительностью,

такие весы недостаточно устойчивы. Дальнейшее повышение

чувствительности весов может

идти за счет повышения точности

отсчетного приспособления, в частности путем использования оптических

систем. Чувствительность может быть повышена путем

соответствующего выбора материалов призмы и подушек. У точных весов

призмы изготавливаются из стали У7А с последующей закалкой до

твердости 60-62 HRC, а подушки - из яшмы и халцедона (64-67HRC).

Верность весов характеризуется правильным соотношением плеч

рычага и обеспечивается точным изготовлением весового рычага и

тщательной юстировкой весов при сборке. При точном взвешивании

существенные погрешности могут появиться вследствие различия темпера-

тур по обе стороны от опорной призмы.

Постоянство весов определяется совпадением результатов

нескольких последовательных взвешиваний одного и того же тела. При

повторном взвешивании результаты могут отличаться от полученных

ранее, хотя это различие обычно незначительно. Небольшие расхождения

результатов повторных взвешиваний служат косвенной характеристикой

высокой чувствительности весов. Напротив, совпадение результатов

повторных взвешиваний может явиться следствием недостаточной

чувствительности весов.

Для точного и быстрого взвешивания большое значение имеет период

колебаний весового рычага. Период колебаний равноплечего весового рычага

тем больше, чем больше масса

взвешиваемого груза и длина плеча весового

рычага, чем меньше расстояние от опорной призмы до центра тяжести

весового рычага. Период колебаний возрастает с увеличением

чувствительности весов. С этой точки зрения, высокая чувствительность

может оказаться нежелательной для весов, от которых требуется

быстродействие, так как процесс взвешивания занимает значительное

время.

14.2. Средства для измерения сил и моментов

14.2.1. Общие сведения о динамометрах

В общем и специальном машино-, аппаратостроении, в горном деле, в

строительстве, на транспорте задачи проектирования и создания новых

машин и аппаратов, конструкций и сооружений связаны во многом с

решением вопроса об их прочности и способности работать в условиях

повышенных температур, давления и пр. Для транспортных экипажей,

летательных аппаратов вопросы измерения силы

тяги, моментов,

228

развиваемых двигателями, имеют первостепенное значение, так как

позволяют, с одной стороны, измерять основную функциональную

характеристику экипажа или двигателя, во многом определяющую качество

изделия, а с другой стороны, контролировать состояние двигателя или

транспортного средства в целом, необходимость его ремонта и т. д.

Сложные условия эксплуатации конструкций и машин во многих

случаях не

позволяют решать вопросы прочности и надежности

аналитически и приходится использовать экспериментальные методы

исследования прочности, что непосредственно связано с измерением сил.

Необходимо отметить, что, кроме преднамеренного измерения сил и

моментов сил, такие измерения приходится делать в громадном

большинстве других приборов, так как очень многие современные приборы

для измерения самых различных физических

величин преобразуют измеряе-

мую физическую величину в силу (при поступательном движении подвижной

системы прибора) или в момент силы (при вращательном ее движении),

пропорциональные входной величине, которые затем измеряются

силоизмерительным механизмом. Результаты этих измерений выдаются на

отсчетное устройство в виде показаний в единицах измеряемой физической

величины.

В настоящее время имеется богатый арсенал

средств измерения сил и

моментов сил. Приборы, предназначенные для измерения сил без

регистрации показаний, называются динамометрами, а с регистрацией —

динамографами. Приборы для измерения моментов сил называются

торсиометрами (иногда моментомерами), а приборы с регистрацией

величины момента — торсиографами.

Принципы, на которых основаны методы измерения сил и моментов

сил, аналогичны, поэтому в дальнейшем

мы рассмотрим главным образом

работу и устройство динамометров.

Динамометрическая аппаратура по принципу действия

подразделяется на приборы: 1) с уравновешиванием измеряемой силы силой

тяжести; 2) основанные на измерении деформаций или напряжений,

вызываемых силой; 3) с преобразованием силы в давление и его измерением.

К первой группе относятся разного рода рычажные и маятниковые

силоизмерители. У рычажных динамометров

измеряемая сила

уравновешивается через рычаги весом гирь. У маятниковых в дополнение к

рычажным преобразователям имеется маятник с тяжелым грузом. Угол

отклонения маятника от вертикали является мерой измеряемой силы.

Несмотря на недостатки (большие габариты и массу, трудность

регистрации показаний и др.), эти приборы имеют существенные

достоинства: высокие точность. и чувствительность, стабильность

характеристик при минимальном уходе, большой диапазон измерений; они не

требуют постороннего источника энергии, имеют малую' температурную

погрешность. Все эти свойства определили область их применения в

качестве образцовых приборов и в аппаратуре для испытания механических

свойств материалов.

229

Приборы второй группы имеют преобразователь, в котором входной

величиной является сила, выходной - одна из характеристик

преобразователя, меняющаяся пропорционально приложенной силе. Это

может быть деформация упругого элемента (наиболее распространенный

тип), выходное напряжение у пьезопреобразователя, магнитная

проницаемость ферромагнитных тел у магнитоупругих преобразователей,

частота механических колебаний у струнных преобразователей и т. п. В

свою

очередь приборы с измерением деформации упругого элемента можно

подразделить по виду преобразователей, применяемых для измерения

деформаций. Эти преобразователи могут быть механическими разного

рода, тензорезисторными, потенциометрическими, индуктивными и т. п.

Наконец, приборы третьей группы имеют преобразователь силы в

давление поршневого, мембранного, месдозного или сольфонного типа.

Давление, создаваемое измеряемой силой, определяется при

помощи

манометров или же, в некоторых случаях, далее преобразуется в другую

физическую величину (как, например, в манганиновых манометрах

сопротивления), которая затем измеряется соответствующим прибором.

14.2.2. Конструкции динамометров

Конструкцию динамометра с уравновешиванием измеряемой силы

силой тяжести можно рассмотреть на примере силоизмерительного

механизма твердомера.

На рис. 14.9

показана схема прибора

ТШ-2 для измерения

твердости по методу

Бринеля, одной из

основных частей

которого является

рычажный динамометр.

Динамометр

представляет два

последовательно

работающих рычага

второго рода 1 и 2 с

общим передаточным

отношением 50:1,

имеющих шарнирные

опоры на правых (по

схеме) концах. На левом

конце рычага 2 расположена подвеска для сменных грузов 3. Подобное

устройство силоизмерительного механизма можно считать характерным

для испытательных машин.

Рис. 14.9. Схема п

ибо

а ТШ-2

230

Образцовые силоизмерительные машины механического типа обычно

представляют один неравноплечий рычаг 1-го рода. Грузовой рычаг имеет

сотношение плеч 1 : 10 или 1 : 20. Имеются специальные механизмы для

наложения и снятия сменных грузов. Несмотря на громоздкость и большую

массу сменных грузов, схема с одним рычагом применяется в образцовых

силоизмерителях, так как позволяет добиться малых значений

относительной погрешности

измерения, не превышающей ±0,2% для машин

2-го разряда.

Наибольшее распространение из динамометров второй группы имеют

пружинные динамометры. Одна из конструкций представлена схемой на

рис. 14.10. Силовое звено этого динамометра состоит из двух плоских

пружин .7. Пружины изогнуты, концы их соединены болтами, между

концами зажаты тяги для крепления прицепных серег, одна из которых (4)

соединена

с корпусом, а другая (6) может перемещаться относительно

корпуса. К концу этой тяги, расположенному внутри корпуса, прикреплен

поводок зубчатого сектора 5 устройства указателя. Под действием

измеряемой силы расстояние между тягами изменяется, и это перемещение

через поводок, сектор 5, триб 2 передается стрелке.

В других разновидностях пружинных динамометров силовое звено

имеет кольцевую или ромбовидную форму.

Во многих случаях измерение деформаций производят не

механическими, а электрическими методами, среди которых по

распространенности, пожалуй, следует на первое место поставить

тензорезисторный. Особенно часто этот метод применяется при

конструировании специальных динамометров и торсиометров для научных

исследований. Несмотря на

меньшую точность, этот метод имеет несом-

ненные достоинства, так как позволяет достичь большой чувствительное

благодаря применению электронных усилителей, измерять на расстоянии

как постоянные, так и переменные по знаку и по амплитуде силы,

регистрировать их на самописцах. Аналоговый сигнал таких динамометров

может быть преобразован в цифровой и использован в ЭВМ.

Рис. 14.10. Схема пружинного динамометра

231

К приборам, работающим по принципу преобразования силы в

давление, можно отнести гидравлические динамометры. На рис. 14.11

представлена схема поршневого динамометра. Силовое звено этого прибора

состоит из двух серег 1 и 4, одна из которых жестко связана с поршнем J, а

другая - с цилиндром 2. Измеряемая сила преобразуется в гидравлическое

давление, которое измеряется при помощи системы измерительный

цилиндр

6 - поршень 5 - пружина 8 (с обратным преобразованием давлений в силу).

Измеряемая сила регистрируется записывающим устройством (рычаг 7 с

самописцем и барабан) и может быть отсчитана по шкале 10.

В последнее время широкое

распространение находят цифровые

динамометр растяжения и сжатия с различными

диапазонами измерений. Так на рис. 14.12

показан динамометр растяжения и сжатия,

который имеет 7 диапазонов измерений от 0 до

980 Н. Погрешность измерения прибора не

превышает 0,2%. Модель для промышленного

использования экономичная.

Данный прибор снабжен 4-х цифровым

дисплеем, высотой цифр 12 мм. Вес

прибора

составляет 430 г.

Стандартные функции прибора:

выбор единиц измерения Н, кгс(гс) или фунт (унция);

выбор режима измерения (постоянное измерение или режим

отображения максимальных значений);

возможность обнуления прибора в любом положении;

предельная перегрузка 200% ;

Рис. 14.11. Схема поршневого динамометра

Рис. 14.12. Цифровой

динамометр

232

эргономичный, прочный алюминиевый корпус;

возможность для крепления на испытательных стендах;

питание от перезаряжаемых батареек или/и от адаптера.

Цифровые динамометры растяжения и сжатия с выносным датчиком

DPU (рис. 14.13) имеют 12 диапазонов измерений (2, 5, 50, 50, 100, 200, 500,

1000, 2000, 5000, 10000, 20000 Н). Точность измерений составляет 0,2%.

Выход USB, RS232C, "открытый коллектор", Mitutoyo Digimatic.

Прибор обладает памятью на 1000 значений, прграммируюмую

предустановку измеряемых значений и др.

Рис. 14.13. Цифровой динамометр растяжения и сжатия

с выносным датчиком DPU

15. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ И РАСХОДА

15.1. Средства для измерения давления

15.1.1. Основные понятия и классификация приборов

для измерения давления

Под давлением жидкости, газа или пара понимают величину,

характеризующую интенсивность сил, действующую на какую-нибудь часть

поверхности тела по направлениям, перпендикулярным этой поверхности.