СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ДЕФОРМАЦИИ ДЕТАЛИ
PROCEDURE FOR EVALUATION OF TEMPERATURE AND DEFORMATION OF PART

Изобретение относится к способам определения термофизических величин и может быть использовано для определения температуры и деформации детали при их одновременном воздействии на деталь.
Известен способ определения температуры и деформации детали [Шахматов Д.Т. Высокотемпературная тензометрия. Методики и тензорезисторы. М.: Атомиздат, 1980, с.26, рис.1.2 (е)], при котором используют термопару и тензодатчик, расположенные рядом на детали в одинаковых температурных условиях, подвергают деталь с датчиком воздействию температуры и воздействию, вызывающему деформацию, измеряют сопротивления термопары и тензорезистора и по их паспортным характеристикам определяют величину деформации детали при данной температуре.
Известен способ определения температуры и деформации детали [Клокова Н.П. Тензорезисторы. М.: Машиностроение, 1990, с.146], при котором используют измерительное устройство, которое содержит два чувствительных элемента, установленных на одной основе - термометр сопротивления и тензодатчик, подвергают деталь с датчиком воздействию температуры и воздействию, вызывающему деформацию, измеряют сопротивления термометра и тензорезистора и по их паспортным характеристикам определяют температуру и величину деформации детали при данной температуре.
Следует отметить, что в обоих случаях показания термопары и термометра сопротивления при одновременном изменении температуры и деформации детали зависят не только от влияния на деталь температуры, но и от деформации, как и показания тензорезистора зависят от температуры. Однако эти влияния на конечном результате, полученном данным способом, не учитываются. Следовательно, к недостаткам известных способов можно отнести невысокую точность определения температуры и деформации детали при их одновременном воздействии на деталь.
Технической задачей изобретения является повышение точности определения температуры и деформации детали в условиях их одновременного изменения за счет применения в качестве измерительного устройства двух тензорезисторов.
Поставленная техническая задача решается следующим образом.
tε
В способе определения температуры и деформации детали, при котором используют измерительное устройство, содержащее два чувствительных элемента, смонтированных на одной основе, один из которых тензорезистор, устанавливают измерительное устройство на деталь, подвергают деталь одновременному воздействию температуры t и воздействию, вызывающему деформацию ε, измеряют при этом изменение сопротивления ΔR на каждом элементе.
tε
t
ε
Новым в предлагаемом способе является то, что в качестве второго чувствительного элемента используют тензорезистор, установленный под углом к первому тензорезистору, после установки измерительного устройства на деталь выполняют градуировку измерительного устройства, для чего подвергают измерительное устройство воздействию, вызывающему заданные деформации детали, измеряют при этом изменение сопротивления каждого тензорезистора и получают зависимости изменения сопротивлений тензорезисторов от деформации детали, вычисляют коэффициент m отношения этих изменений сопротивлений, затем подвергают измерительное устройство воздействию заданных температур, измеряют при этом изменения сопротивлений каждого тензорезистора и получают зависимости сопротивлений тензорезисторов от температуры, вычисляют коэффициент n отношения этих изменений сопротивлений, далее по измеренным значениям ΔR на каждом тензорезисторе вычисляют изменение сопротивления ΔR, соответствующее температуре t, и ΔR, соответствующее деформации ε, по формулам:
t
ε
где  - изменение сопротивления, измеренного при температуре t и деформации ε на тензорезисторе, для которого определяют ΔR и ΔR;
- изменение сопротивления, измеренного при температуре t и деформации ε на другом тензорезисторе.
Затем по полученным зависимостям изменений сопротивлений тензорезисторов от температуры и от деформации детали определяют температуру t детали и величину деформации детали ε в месте установки тензорезисторов.
Заявляемый способ реализуется следующим образом.
На детали под углом друг к другу устанавливают два тензорезистора. Подвергают деталь воздействию, вызывающему заданные деформации, измеряя при этом сопротивления обоих тензорезисторов. На основании полученных данных строят графики зависимостей изменения сопротивлений тензорезисторов от деформации. Вычисляют коэффициент m отношения изменений сопротивлений тензорезисторов.
Затем подвергают тензорезисторы воздействию заданных температур, при этом также измеряют изменения сопротивлений обоих тензорезисторов и строят графики зависимостей сопротивлений тензорезисторов от температуры. Вычисляют коэффициент n отношения изменений сопротивлений тензорезисторов.
tε
Далее подвергают деталь одновременному воздействию температуры t и воздействию, вызывающему деформацию ε, при этом измеряют ΔR - изменение сопротивления каждого тензорезистора.
t
ε
Вычисляют изменение сопротивления ΔR, соответствующее температуре t, и ΔR, соответствующее деформации ε, по формулам:
t
ε
где  - изменение сопротивления, измеренного при температуре t и деформации ε на тензорезисторе, для которого определяют ΔR и ΔR;
- изменение сопротивления, измеренного при температуре t и деформации ε на другом тензорезисторе.
После этого по полученным зависимостям изменений сопротивлений тензорезисторов от температуры и от деформации детали определяют температуру t детали и величину деформации детали ε в месте установки тензорезисторов.
На прилагаемых чертежах изображено:
фиг.1 - схема установки тензорезисторов;
фиг.2 - графики зависимости изменений сопротивлений тензорезисторов от деформации;
фиг.3 - графики зависимости изменений сопротивлений тензорезисторов от температуры.
Пример конкретного выполнения
Способ был реализован в экспериментальной установке для нагрева и нагружения детали. Для эксперимента была использована балка, выполненная из стали ЭИ437Б. В качестве датчика использованы два тензорезистора КФ5П-3-100-Б12. Тензорезисторы 1 и 2 были установлены на деталь 3, выполненную в виде балки, как показано на фиг.1. Деформация ε создается нагрузкой Р.
Вначале выполняют определение зависимостей изменения сопротивлений  и  тензорезисторов 1 и 2 от деформации, для чего при постоянной температуре t=22°C и заданной деформации ε проводятся измерения изменения сопротивления на каждом тензорезисторе. На основании полученных данных, представленных в таблице 1, вычисляют коэффициент  и строят график зависимости (фиг.2) изменений сопротивлений тензорезисторов 1 и 2 от деформации ε.
Таблица 1
Измеряемая величина
Деформация, ε·10<sup>4</sup>
130
260
390
ΔR<sup>1</sup>ε·10<sup>4</sup>
260
520
780
ΔR<sup>2</sup>ε·10<sup>4</sup>
-55
-115
-180
m=ΔR<sup>2</sup>ε/ΔR<sup>l</sup>ε
-0,21
-0,22
-0,23
m <sub>ср.</sub>=-0,22
Затем определяют зависимости изменения сопротивлений тензорезисторов от температуры. Поскольку в данном примере тензорезисторы установлены одинаковые, то их сопротивления, соответствующие температуре t, будут одинаковыми, следовательно, при изменении температуры t достаточно измерить сопротивление только одного тензорезистора . При этом получается, что коэффициент n=1. На основании полученных данных, представленных в таблице 2, строится график зависимости (фиг.3) изменения сопротивления тензорезистора 1 от температуры t.
Таблица 2
Измеряемая величина
Температура, t, °С
22
50
75
100
125
150
ΔR<sub>tε</sub>·10<sup>4</sup>
-
70
120
170
230
320
После этого деталь 3 (фиг.1) подвергается одновременному воздействию температуры t и воздействию деформации ε. При этом проводится измерение сопротивлений тензорезисторов 1 и 2 (фиг.1). Для проверки работоспособности способа значения температуры t и деформации ε заранее известны. Результаты измерения представлены в таблице 3.
Таблица 3
Деформация, ε·10<sup>4</sup>
Температура, t, °C
22
50
75
100
125
150
<img file="00000012.tif" he="6" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000013.tif" he="6" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000014.tif" he="6" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000015.tif" he="6" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000014.tif" he="6" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000015.tif" he="6" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000014.tif" he="6" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000015.tif" he="6" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000014.tif" he="6" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000015.tif" he="6" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000014.tif" he="6" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000015.tif" he="6" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />
130
270
-57
338
12
400
65
430
112
510
170
560
260
260
530
-115
610
-40
660
12
710
62
765
119
855
218
390
800
-180
875
-110
925
-60
985
-9
1040
52
1110
143
-4
-4
Например, в какой-то момент времени =925×10; =-60×10.
Подставив известные значения в формулу, получим сопротивление тензорезистора 1, соответствующее температуре t:
По графику зависимости (фиг.3) сопротивления тензорезистора 1 (фиг.1) от температуры t определяем температуру объекта в момент измерения: t=73°C (фактическая (см. таблицу 3) t=75°C).
И, наконец, определяем деформацию ε:
-4
-4
По графику зависимости (фиг.2) сопротивления тензорезистора 1 (фиг.1) находим ε=403·10 (фактическая ε=390·10).
-4
При проверке работоспособности способа и оценки точности измерений были обработаны результаты измерений во всех контрольных точках в диапазоне температур до 150°С и деформаций до ε=390·10 и получены результаты, представленные в таблице 4.
Таблица 4
Деформация, ε·10<sup>4</sup>
Температура, t, °C
Измеренная деформация, ε·10<sup>4</sup>
Погрешность, Δε·10<sup>4</sup>
22
50
75
100
125
150
130
<img file="00000018.tif" he="11" wi="11" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000019.tif" he="11" wi="11" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000020.tif" he="11" wi="11" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000021.tif" he="11" wi="11" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000022.tif" he="11" wi="11" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000023.tif" he="11" wi="11" img-content="undefined" img-format="tif" />
131,3
0,02
260
<img file="00000024.tif" he="11" wi="12" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000025.tif" he="11" wi="12" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000026.tif" he="9" wi="12" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000027.tif" he="11" wi="11" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000028.tif" he="11" wi="12" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000029.tif" he="11" wi="11" img-content="undefined" img-format="tif" />
265,2
0,08
390
<img file="00000030.tif" he="11" wi="11" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000031.tif" he="9" wi="12" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000032.tif" he="11" wi="11" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000033.tif" he="11" wi="11" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000034.tif" he="11" wi="11" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000035.tif" he="11" wi="12" img-content="undefined" img-format="tif" />
402,3
0,19
t<sub>изм.</sub>
22,6
51,5
76,5
98,6
126,7
149
Δ<sub>tср.</sub>=0,5
Δε<sub>ср.</sub>=6,3
Δ<sub>tcp.</sub>, °С
0,6
1,5
1,5
-1,4
1,7
-1,0
tср.
ср.
-4
Таким образом, средняя абсолютная погрешность измерения температуры Δ=0,5°С и деформации Δε=6,3·10, что для данного рода технических измерений вполне приемлемо. Следовательно, предложенный способ позволяет при измерении температуры и деформации детали в условиях их одновременного изменения исключить влияние температуры на измерение деформации и наоборот, обеспечивая тем самым повышение точности измерений.