ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
STRAIN-GAUGE DISPLACEMENT TRANSDUCER

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам измерения перемещений при повышенных температурах при стендовых испытаниях.
Известен «Датчик деформаций» (а.с. СССР №905628, МПК G01B 7/18, опубл. 15.02.1982, Бюл. №6), содержащий две ножевые опоры, измеритель перемещения, выполненный в виде скобы с закрепленными на ней тензорезисторами, соединенными в полумост, термостабильный стержень с компенсирующими прокладками на концах, соединенный со свободным концом скобы, термокомпенсирующий стержень с закрепленным на нем нагревательным элементом, выполненным в виде резистора, и измерителем температуры, выполненным в виде терморезистора. Термокомпенсирующий стержень одним концом через первую прокладку соединен с термостабильным стержнем, а другим концом через вторую прокладку - с ножевой опорой. Датчик соединен со вторичной аппаратурой пятипроводной линией связи.
Недостатками данного датчика являются:
- конструкция чувствительного элемента не обеспечивает низкую погрешность при измерении перемещений в диапазоне ±60°C;
- упругий элемент, выполненный в виде скобы, способен воспринимать радиальный изгиб, что ведет к увеличению поперечной чувствительности тензорезисторов, что, в свою очередь, снижает чувствительность датчика.
Известен «Тензорезисторный преобразователь перемещений» (а.с. СССР №1474450, МПК4 G01B 7/17, опубл. 23.04.89. Бюл. №15), состоящий из жесткого недеформируемого корпусного элемента с направляющим отверстием, в котором размещен шток с возможностью возвратно-поступательного движения, пружины сжатия, соосной со штоком и одним концом связанной с ним с помощью упора, и чувствительного элемента с наклеенным тензорезистором. Пружина сжатия жестко связана с упором и вторым концом - с корпусным элементом. Чувствительный элемент выполнен в виде упругого деформационного кольца (с симметрично закрепленными на внешней и внутренней поверхностях кольца двумя парами активного и компенсационного тензорезисторов), закрепленного на корпусном элементе и имеющего два сквозных отверстия, соосных с направляющим отверстием корпусного элемента, и упругой пластины с центральным отверстием, минимальная жесткость которой меньше жесткости деформационного кольца и в плоскости минимальной жесткости которой лежит ось штока, проходящего сквозь отверстия деформационного кольца, и пластины, симметрично жестко закрепленной на штоке с опиранием ее краями на внутреннюю поверхность деформационного кольца, а преобразователь снабжен дополнительными тензорезисторами. Все тензорезисторы включены в общую мостовую измерительную схему, часть тензорезисторов наклеена симметрично на пластине в плоскости ее минимальной жесткости вблизи штока, а остальные - на деформационном кольце в окружном направлении в точках, лежащих на оси деформационного кольца, перпендикулярной оси штока. Данный тензорезисторный преобразователь перемещений является наиболее близким к заявляемому устройству и выбран в качестве прототипа.
Недостатками данного преобразователя являются:
- все тензорезисторы включены в общую мостовую измерительную схему, что не позволяет исключить погрешность измерения от изменения температуры окружающей среды;
- пружина сжатия, соосная со штоком и одним концом связанная с ним:
1) уменьшает чувствительность преобразователя при измерении перемещений объектов из материалов с небольшим значением плотности;
2) увеличивает коэффициент трения подвижных элементов преобразователя, что вносит погрешность в результат измерений.
Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в обеспечении измерения зазоров между элементами конструкции в диапазоне ±5 мм с минимально возможной погрешностью в диапазоне температур ±60°C. Проводимые измерения должны удовлетворять требованиям ГОСТ Р МЭК 60079-11-2010 - «искробезопасная электрическая цепь» уровня «ib».
Указанная техническая проблема решается за счет того, что заявляемый тензорезисторный преобразователь перемещений, содержащий жесткий недеформируемый корпус с направляющим отверстием, в котором с возможностью возвратно-поступательного перемещения размещен измерительный наконечник, связанный с чувствительным элементом в виде закрепленного в корпусе упругого деформационного кольца, на внешней и внутренней поверхностях которого в окружном направлении в точке, лежащей на его оси, перпендикулярной к оси наконечника, напротив друг друга наклеены два тензорезистора, в отличие от прототипа тензорезисторы термокомпенсированы для материала упругого деформационного кольца соединены по схеме измерительного полумоста, вывод одного из тензорезисторов соединен с медным проводом, к которому приварен константановый провод с образованием термопары типа Т, выводы которой являются выводами преобразователя перемещений.
Исполнение чувствительного элемента в виде закрепленного в жестком недеформируемом корпусе упругого деформационного кольца, на внешней и внутренней поверхностях которого напротив друг друга наклеены два тензорезисторора, позволяет при деформировании кольца (в отличие от других упругих элементов, например скобы) избежать влияния радиального изгиба (ведет к потере чувствительности преобразователя).
Соединение двух тензорезисторов, наклеенных на внешней и внутренней поверхностях упругого деформационного кольца в окружном направлении в точке, лежащей на его оси, перпендикулярной к оси наконечника, напротив друг друга и соединенных по схеме измерительного полумоста, увеличивает чувствительность преобразователя в два раза, например, по сравнению с четвертьмостовой измерительной схемой. Увеличение чувствительности уменьшает погрешность измерения.
Использование термокомпенсированых тензорезисторов для материала, из которого изготовлено деформационное кольцо, приводит к уменьшению влияния на выходной сигнал датчика изменения температуры среды.
Соединение вывода одного из тензорезисторов с медным проводником кабеля TR-F, к которому приварена константановая жила этого же кабеля с образованием термопары типа Т, позволяет учитывать изменение сопротивления полумостовой тензорезисторной схемы, возникающее из-за изменения температуры окружающей среды, значительно уменьшая температурную составляющую суммарной погрешности измерения.
Изобретение поясняется фигурами. На фиг. 1 изображен разрез тензорезисторного датчика перемещений, на фиг. 2 изображено упругое деформационное кольцо с наклеенными тензорезисторами, на фиг. 3 приведена электрическая схема чувствительного элемента преобразователя.
-6
-1
1
2
Тензорезисторный преобразователь перемещений содержит жесткий недеформируемый корпус, состоящий из крышки 2 и основания 5 с направляющим отверстием, в котором с возможностью возвратно-поступательного перемещения размещен измерительный наконечник 7, связанный с чувствительным элементом в виде закрепленного в корпусе упругого деформационного кольца 1 (из материала сталь 65 Г с коэффициентом линейного расширения 11,5⋅10°C), на внешней и внутренней поверхностях которого в окружном направлении в точке, лежащей на его оси, перпендикулярной к оси наконечника, напротив друг друга наклеены два тензорезисторора 11 (Tp и Tp), включенные в измерительную схему.
-6
-1
В качестве тензорезисторов 11 использованы термокомпенсированные для материала упругого деформационного кольца тензорезисторы (в данном примере выполнения использованы тензорезисторы ТКП О-3-100, термокомпенсированные для материала с коэффициентом линейного расширения 11,8⋅10 °C, близким коэффициенту линейного расширения материала упругого деформационного кольца), соединенные по схеме измерительного полумоста, при этом вывод одного из тензорезисторов 11 соединен с медным проводником (в данном примере выполнения с медным проводником кабеля TR-F), к которому на расстоянии 5 мм от спая вывода тензорезистора и медного проводника кабеля TR-F приварен константановый проводник (константановая жила этого же кабеля) с образованием термопары типа Т. Выводы термопары являются выводами преобразователя перемещений.
Верхняя часть деформационного кольца 1 закреплена на недеформируемом кронштейне 10, нижняя - на направляющей 9, жестко скрепленной с измерительным наконечником 7, установленным с возможностью возвратно-поступательного перемещения в основании 5. Крышка корпуса закреплена к основанию 5 через уплотнительную прокладку 3.
Направляющая 9 обладает возможностью возвратно-поступательного движения по кронштейну 10. Ограничители 8 ограничивают движение направляющей по кронштейну и тем самым ограничивают перемещение измерительного наконечника 7, предотвращая тем самым излом упругого деформационного кольца.
Выводы термопары и выводы тензорезисторов 11 подключены к разъему 4.
Заявляемый тензорезисторный преобразователь перемещений работает следующим образом.
Перед проведением измерений необходимо произвести калибровку преобразователя с целью получения зависимости его выходного сигнала от перемещения в нормальных условиях и калибровку в требуемом температурном диапазоне, в результате которой получается зависимость: изменение выходного сигнала преобразователя (измерительный наконечник 7 находится в состоянии покоя) от изменения температуры окружающей среды.
Далее (при проведении испытаний) свободным концом измерительный наконечник 7 вводят в контакт с объектом измерений (не показан) и закрепляют преобразователь с помощью резьбового соединения 6, находящегося в нижней части основания 5. Перемещение объекта измерений передается измерительному наконечнику 7, в результате чего начинает движение по кронштейну 10 направляющая 9, которая, в свою очередь, сжимает деформационное кольцо 1, вследствие чего изменяется сопротивление тензорезисторов 11.
Перемещение направляющей 9 по кронштейну 10 возможно до момента упора ее в верхний ограничитель 8.
Изменение выходного сопротивления тензорезисторного полумоста пропорционально перемещению измерительного наконечника 7. Изменение сопротивления полумоста через разъем 4 регистрируется аппаратурой измерения деформации.
Изменение температуры окружающей среды регистрируется термопарой и через разъем 4 передается на аппаратуру измерения температуры.
При обработке результатов измерений выходной сигнал датчика преобразовывается в значения перемещения. Далее из полученных значений в каждой измеренной точке вычитается значение выходного сигнала, полученного при температурной калибровке преобразователя перемещений, при этом значение выходного сигнала из калибровочного графика выбирается по значению температуры, при котором производилось измерение во время проведения испытаний.
Таким образом, с помощью предлагаемого тензорезисторного преобразователя осуществляются измерения перемещений:
- с минимально возможной погрешностью в необходимых условиях, эксплуатации (в диапазоне температур ±60°C);
- в совокупности с аппаратурой измерения деформаций, аттестованной как оборудование с искробезопасной электрической цепью уровня «ib», преобразователь позволяет проводить измерения, удовлетворяющие требованиям ГОСТ Р МЭК 60079-11-2010.