KURZUS: Műszaki diagnosztika

MODUL: Előadások

4. hét: Mérés adatgyűjtés nyúlásmérő bélyeges szenzorok alkalmazásával

| A lecke célja: a gépész- és járműmérnök hallgatók megismertetése olyan korszerű villamos és informatikai alapú mérési és adatgyűjtési eljárásokkal, amelyek nélkül ma már az iparban működő összetett műszaki rendszerekről (pl. gyártósorok, tesztpadok, járműmotor stb.) nehéz adatot gyűjteni. A hallgatók megismerkedjenek a nyúlásmérő bélyegek működési elvével, a működésükhöz kapcsolódó fizikai paraméterekkel, alkalmazhatóságukkal.
Követelmények: Az iparban alkalmazott számítógéppel támogatott villamos alapú gépészeti mérések fizikai és műszaki alapjainak megismerése és elsajátítása.
A tananyag elsajátításának becsült időszükséglete: 2×45 perc
A leckében előforduló kulcsfogalmak: kalibrálás, mérésátalakítók, nyúlásmérő bélyeg, fajlagos hosszváltozás, félhíd, teljeshíd, hőkompenzáció
Méréstechnikai alapok
A méréstechnika tárgya, a műszaki folyamatokban végbemenő változások fizikai jellemzőinek érzékelése és mérése.
Mérhető fizikai paraméterek:
elmozdulás, elfordulás, deformáció, sebesség, gyorsulás, fordulatszám, frekvencia, idő, tömeg, teljesítmény, erő, forgatónyomaték, hőmérséklet, rezgés, zaj, nyomás, nedvességtartalom, viszkozitás, vezetőképesség, PH,
A fizikai jellemzőket két fő csoportba osztjuk:
Villamos mennyiségek, tehát eredendően villamos jelek, (U; I; Pvill.). Nem villamos mennyiségek, (hőmérséklet, nyomás, szint, áramlás, elmozdulás)
A nem villamos mennyiségeket részben segédenergia nélkül, részben villamos segédenergia igénybevételével mérjük.
A segédenergia nélküli mérés hátránya, hogy a mérési eredmény szállítása, tárolása, feldolgozhatósága körülményes. Ezért az ilyen módon történő mérés eredménye tájékoztató jellegű, pl. manométer.
A villamos segédenergiával történő mérés során a nem villamos mérendő jeleket, mérő-átalakítókkal villamos jelváltozássá alakítjuk. Ezek a jelek jól szállíthatók, tárolhatók és feldolgozásuk lényegesen könnyebb, mint az előző jeleké.
A passzív mérésátalakítók
A mérő-átalakítók feladata, hogy a nem villamos mennyiségeket érzékelve, azzal arányos villamos jelet állítsanak elő, pl.: U; I; R stb (1. ábra).
Passzív átalakítók, működésük minden esetben segédenergiát igényel.
Érzékelők működése
1. ábra
Csúszóérintkezős, pl.: potenciométer - Huzalos, pl.: nyúlásmérő bélyeg - Hőmérséklet érzékelő ellenállások, pl.: Pt 100
Nyúlásmérő bélyegek (tenzoellenállások)
Nyújtó, vagy nyomóerő hatására megváltoztatják ellenállásukat. Alkalmas rugalmas deformáció és rezgés mérésére is.
Kialakítását tekintve van:
Halszálka mintázatú, Huzalos (aktív és kompenzáló bélyegekkel) (2. ábra), Rozettás kivitelű (körkörös elrendezés),
A nyúlásmérő bélyegek legfontosabb jellemzői:
Névleges terhelés: az az erő, amellyel a működési tartományon belül terhelhető. Alsó mérési határ: az a minimális erő, amelytől kezdve a nyúlásmérő bélyeg megfelel a követelményeknek. Cellatényező (érzékenység): a névleges és a nulla terhelésnél mért kimeneti feszültségek különbségének, valamint a nyúlásmérő bélyeg tápfeszültségének hányadosa mV/V-ban mérve.
Huzalos nyúlásmérő bélyeg
A nyúlásmérő bélyeget az ún. gauge faktorral (g) jellemezzük, ez egy átalakítási tényező, amely megmutatja, hogy hányszorosára változik meg a bélyeg ellenállása egységnyi erőhatás következtében. Fémfólia nyúlásmérő bélyegeknél az átalakítási tényező vagy bélyegállandó értéke általában 2-2,7 közötti érték.
Kétirányú huzalos nyúlásmérő bélyeg kialakítása
2. ábra
A huzalos nyúlásmérő bélyeg néhány jellemző tulajdonsága:
Linearitási eltérésük: 0,1%-1,0% között, Élettartamuk: 106... 107 behatás, Rnévl: 120, 350, 600, 1000 Ω, Mérhető legkisebb nyúlás: 0,1 µ⋅ε , Hőmérséklet tartomány: -20 °C - +150 °C-ig,
A huzalos nyúlásmérő bélyeg fizikája
ε: nyúlási együttható, amely a relatív hosszváltozást fejezi ki. µ: Poison tényező, µ≈0,3 .
Terhelés és az alakváltozás kapcsolata
3. ábra
Az F erő hatására a relatív ellenállás változás nagyobb mint a relatív hosszváltozás, tehát (3. ábra):
d R R > d L L
A hosszváltozás mértéke meghatározható, mint fajlagos hosszváltozás ( ε). A kereszt és hossz irányú alakváltozás aránya, pedig megadja a Poisson tényezőt ( µ), mint ahogy ez az alábbi összefüggésekből látható:
ε= d L L ; és d D D =−μ⋅ε ill. d D D =−μ⋅ d L L → −μ= d D D d L L
A nyúlásmérő bélyegek villamos ellenállása függ a bélyeghuzal anyagától és annak fajlagos ellenállásától ( ρ) és a huzal geometriájától (L, D) ami a következő összefüggésből kiolvasható:
R=ρ⋅ L A =ρ⋅ L D 2 ⋅π 4 = ρ⋅ 4⋅L D 2 ⋅π ¯ ¯
A fenti összefüggésnek vesszük a logaritmusát:
l n R=l n ρ+l n L−2⋅l n D+ln( 4 π )
majd az összefüggés minkét oldalát le osszuk a fajlagos hosszváltozással:
d R R = d ρ ρ + d L L −2⋅ d D D ∕: d L L
A kapott összefüggést átrendezve és leegyszerűsítve megkapjuk a bélyeg gauge faktorát (g):
d R R d L L = d ρ ρ d L L +1−2⋅ d D D d L L ; → g= d ρ ρ ε +1+2⋅μ ¯ ¯
g= d R R d L L ; d D D d L L =μ
A nyúlásmérő bélyegek jellegzetes hibái
Annak ellenére, hogy a nyúlásmérő bélyeges méréseknek nagyon sok előnye van a hagyományos mechanikus mérésekkel szemben, sajnos van néhány negatív jellemzőjük, amelyeket nem lehet figyelmen kívül hagyni, ezek a következők:
Kúszás, vagyis, hogy a bélyeg milyen mértékben fut együtt a mérőtesttel, (mérőhasábbal). Ismétlési hiba, az ugyanazon "F" erőhatásra adott válasz jel, tehát az ellenállás változás azonossága Irányváltási hiba, a dinamikus méréseknél fellépő hiba Linearitási hiba, ami huzalos átalakítók esetén nem jelentkezik, csak extrém erőhatásoknál. Félvezető alapúak esetén a linearitástól való eltérést többtagú hatványsorral küszöbölhető ki. A gyártó ezt a hatványsort mellékeli az átalakítóhoz Hőmérséklet függés, ezt a gyártó zárt matematikai összefüggéssel közli, hogy a Δ T hőmérséklet változás milyen mérési hibát okoz. Ez rendszeres hiba, tehát kiküszöbölhető.
Nyúlásmérő áramkörök
Az áramkörökkel szemben támasztott követelmények megértését egy példán keresztül jól be lehet mutatni.
Példa:
Mennyi lesz a 120 Ω-os k=2 nyúlási tényezővel (bélyeg tényező) rendelkező nyúlásmérő ellenállás ellenállásváltozása 1 ezrelék nyúlás hatására?
A kiindulási összefüggésünk a következő, amely megmutatja a bélyeg fajlagos ellenállásváltozása és a fajlagos alakváltozása közötti összefüggést:
d R R =k⋅ε
Adatok: R=120 Ω k=2 ε=1 ezrelék
Δ R=k⋅ε⋅R=2⋅0,001⋅120[ Ω ]= 0,24[ Ω ] ¯ ¯
Tehát a jelentős 1 ezrelék=1000 μStrain nyúlás R=120 Ω-os nyúlásmérőbélyeg ellenállás esetén mindössze csak Δ R =0,24 Ω ellenállásváltozást eredményez. Ha 1 μStrain felbontást akarunk, akkor 0,24 mΩ változást kell mérni. A méréstechnikai probléma: 100 Ω nagyságrendű R ellenállás mΩ (milliohm) nagyságrendű Δ R ellenállásváltozását kell mérni.
Megoldási lehetőségek:
1. | Nagy felbontású ellenállásmérő alkalmazása - hátrány: drága és lassú
2. | Hídáramkör alkalmazása (Wheatstone-híd) - "leválasztja a kis ellenállásváltozást a nagy ellenállásról", hatásosan csökkenthető a hőmérsékletmérésre gyakorolt hatása, hatékony áramköri megoldások a mérés pontosságának javítására. A hídáramkörök alkalmazása esetén három különböző bekötési megoldást kell megkülönböztetni annak függvényében, hogy Wheatstone-híd hány ágát képezi a nyúlásmérő ellenállás, ekkor a megnevezésik:
negyedhidas bekötés (4. ábra), félhidas bekötés (5. ábra), teljeshidas bekötés (6. ábra),
Negyedhidas bekötés egy nyúlásmérőbélyeg alkalmazásával
4. ábra
Félhidas bekötés kettő nyúlásmérőbélyeg alkalmazásával
5. ábra
Teljeshidas bekötés négy nyúlásmérőbélyeg alkalmazásával
6. ábra
A nyúlásmérő bélyeges mérések esetén kulcs fontosságú a bélyegek hőmérsékleti hibája, amit a mérések során ki kell kompenzálni. ennek a lehetőségei a következők:
1. | Önkompenzáló rendszer kialakítása
2. | Kihasználva a különbségi mérés lehetőségeit, hőkompenzáló bélyeg(ek) alkalmazása
3. | Hőmérséklet mérése, korrekciós táblázat, egyéb számításon alapuló hibacsökkentés → bonyolult, pontatlan, ezért ezt a módszert nem szokás alkalmazni.
Önkompenzáló rendszer
Nyúlásmérő bélyeg ellenállás anyaga és a lineáris hőtágulási tényezőjének ( α g ) és a mérendő test lineáris hőtágulási tényezőjének ( α S ) az ismeretében meghatározható a hőmérsékletváltozás hatására bekövetkező látszólagos nyúlás a következő összefüggéssel:
ε T = α k +( α s − α g )
α: nyúlásmérő bélyeg ellenállásanyagának hőfoktényezője k: bélyegtényező.
A jelentősebb szerkezeti anyagokhoz önkompenzált bélyegeket gyártanak. A bélyeg jelölése anyag lineáris hőtágulási tényező a következő táblázatban láthatók:
A bélyeg jelölése | Anyag | Lin. hőtágulási tényezőp
1 | Ferrites acél | α=10,8×10-6 /K
3 | Alumínium | α= 23×10-6 /K
5 | Ausztenites acél | α= 16×10-6 /K
6 | Kvarc | α= 0,5×10-6 /K
7 | Titán / szürkeöntvény | α= 9×10-6 /K
8 | Műanyag | α= 65×10-6 /K
9 | Molibdén | α= 5,4×10-6 /K
Hőkompenzáló bélyeg(ek) alkalmazása
Ebben az esetben azonos típusú bélyegeket ragasztunk fel a mérendő próbatestre, ezeknek a hőfok függősége azonos. Az egyik bélyeg lesz az aktív (mérőbélyeg), míg a másik bélyeg szerepe a hőkompenzálás.
Ha a hőmérsékletváltozásra nő az aktív bélyeg ellenállása, akkor nő az aktív bélyeg körének a feszültsége, míg ugyanerre a hőmérsékletváltozásra ugyanez a folyamat zajlik le a kompenzáló bélyegben és annak körében, így a két hatás kioltja egymást és nem változik a híd feszültsége. Ez abban az esetben érvényes, ha a két bélyeget azonos (terhelés) irányba ragasztják fel.
Egy másik lehetséges megoldás, amelyet az ipar többnyire használ, ha a kompenzáló bélyeget az aktív bélyeg irányára merőlegesen ragasztják fel (7. ábra). Ebben az esetben viszont az aktív bélyeg nyúlik, míg a kompenzáló bélyeg összenyomódik (Poisson tényező). A következő összefüggés megmutatja, hogy hogyan alakul a tápfeszültség és a híd feszültség aránya egymáshoz képest az ábrán látható bekötés esetén:
U h i d U t á p = k 4 ⋅( ε 1 − ε 2 + ε 3 − ε 4 )
ε 2 =0; ε 3 =0; ε 4 =−v⋅ ε 1
U h i d U t á p = k 4 ⋅ ε 1 ⋅( 1+v ) ¯ ¯
(1+v): hídtényező, amely megmutatja, hogy a mérőhíd kimenő feszültsége hányszorosa az egy aktív bélyeges mérőhídénak.
Kompenzáló bélyeg alkalmazása a hőmérsékletváltozás hatásának kiküszöbölésére
7. ábra
Szenzor kalibrálás
A valós életben (ipar, gazdaság) a kalibrálást a szakemberek általában két féleképpen értelmezik, az egyik értelmezés a hivatalos értelmezés, amely a következő:
A kalibrálás azon tevékenységeket jelenti, amikkel (adott körülmények esetén) eldönthető a kapcsolat a mérőműszer vagy rendszer érték mutatása, és a mérendő mennyiség mértékkel, illetve anyagmintával megtestesített, vagy használati etalonnal megvalósított (helyes) értéke között. Azaz a mérőműszer kalibrálása azt tárja fel, hogy a mérőeszköz által kijelzett érték mekkora hibával tér el a mért mennyiség helyes értékétől. A műszerkalibrálás eredményei alapján általában minősítést is végeznek, azaz megállapítják, hogy a mérőeszköz a kalibrálási során kapott eredményeket kiértékelve megfelel-e az alkalmazáshoz szükséges követelménynek.
A másik értelmezés, amikor egy ismeretlen eredetű, esetleg sajátmagunk által tervezett és gyártott szenzor esetén a mérést megelőzően mi magunk rendeljük össze a megfelelő fizikai paramétereket és ezáltal megadjuk a szenzor mérési függvényét.
Ha a szenzor viselkedése lineáris, akkor általában elég a két mérési végpont közelében kalibrálni (8. ábra)
f m =( ( U 1 , F 1 ), ( U 2 , F 2 ) )
Ha a szenzor viselkedése nem lineáris, akkor a mérést több ponton kell kalibrálni, mert különben a mérési hiba naggyá válik (9. ábra).
f m =( ( U 1 , F 1 ), ( U 2 , F 2 ),…( U n , F n ) )
A kalibrálási pontok számát általában a mérés pontossága és a szenzor karakterisztikája határozza meg.
Egy lineáris erőmérő szenzor mérési függvénye
8. ábra
Egy nem lineáris erőmérő szenzor lineáris kalibrálása esetén létrejövő mérési hiba
9. ábra
A szenzorok kalibrálása három féle eljárással történhet:
A szenzor adatai bent vannak egy adatbázisba, és ki kell választani. A katalógusban megadott adatok alapján. Egy ismert fizikai paraméter (terhelés, elmozdulás, szögelfordulás stb.) alkalmazásával.
Ökölszabály: A kalibrálási eljárásokat nem kombináljuk!!!
Szenzorok kiválasztása adatbázisból
A kalibráció elvégzése szempontjából szerencsés, ha a mérő és adatgyűjtő rendszer és a szenzor azonos gyártmányú, és a szenzor adatai a rendszer adatbázisába megtalálható (10. ábra, 11. ábra, 12. ábra)
Az ábra jobboldali ablakában láthatók a szenzor típusok
10. ábra
A megfelelő szenzor típust kiválasztva az ábra jobboldali ablakában látható és kiválasztható a megfelelő szenzor
11. ábra
A kiválasztott szenzor adatai (Senzor adaptation)
12. ábra
Szenzorok kalibrálása katalógus alapján
Ha a kiválasztott szenzor ismert és a műszaki adatai katalógusban megtalálhatók, akkor ezen adatok alapján a kalibrálás elvégezhető.
A kalibráláshoz szükséges adatok:
Méréshatár: pl. 5 kN, 100 mm, 30° Érzékenység: pl. 0,5 mV/V, 1 mV/V, 2 mV/V,
Példa a szenzor kiválasztásra
13. ábra
A 13. ábra által bemutatott erőmérő szenzor adatlapja
14. ábra
Ismert fizikai paraméterek alkalmazásával történő kalibrálás
Vannak esetek, amikor nem ismerjük a választott szenzor érzékenységét, és nem áll rendelkezésünkre csak a méréshatár értéke. Ilyen esetekben a szenzort kettő vagy több megadott paraméterű méréssel kalibráljuk.
Ha a szenzor karakterisztikája lineáris, akkor elég két pontban kalibrálni. Ha nem lineáris, akkor a teljes méréstartományba elosztva minél több méréssel kell a kalibrálást elvégezni.
Ismeretlen szenzor kalibrálása egy ismert fizikai paraméterrel (13N)
15. ábra
Rugóstag mérés
Példa:
A 16. ábra által bemutatott motorkerékpár (trike) első futóművét át kellett alakítani, mert járműdinamikai szempontból nem felet meg. Az új futóműnek lengőkaros konstrukció lett kiválasztva (17. ábra). A tervezett futóműbe beépítésre kerülő rugóstag (18. ábra, 19. ábra)rugókarakterisztikája ismeretlen, ezt meg kellett határozni azért, hogy a futómű dinamikai viselkedését és szilárdsági ellenőrzését el lehessen végezni. A karakterisztika meghatározásához fel lett használva:
egy egyetemes eszterga, amely segítségével megfelelő pontossággal megtudtuk határozni a rugó összenyomás úthosszát (az eszterga szegnyergének kerekén törtnő egy körül forgatás a tokmány 5 mm elmozdulását jelenti a megfelelőpontossággal (5 ±0,1 mm). egy HBM U9B húzó-nyomó erőmérő szenzor (20 kN), egy HBM Spider 8 adatgyűjtő és erősítő, HBM Catman Easy adatgyűjtő szoftver +PC,
A mérés folyamán fel lett véve a rugóstag összenyomásának útfüggvénye (diszkrét mérési pontok) és a hozzájuk tartozó erő értékek (1. táblázat), majd ebből meg szerkesztésre került a rugóstag rugókarakterisztikája (21. ábra), amely segítségével már a tervezett első futómű vizsgálható és méretezhető.
Az átalakítandó motorkerékpár (trike)
16. ábra
A motorkerékpár tervezett új futóműve
17. ábra
A tervezett futómű geometriája terheletlen állapotba
18. ábra
A tervezett futómű geometriája terhelt állapotba
19. ábra
A futóműbe beépítésre kerülő rugóstag karakterisztikájának felvétele
20. ábra
A méréskor meghatározott úthosszak és a hozzájuk tartozó erőértékek
rugóút (mm) | rugóerő (N)
0 | 0
5 | 256
10 | 454
15 | 568
20 | 688
25 | 805
30 | 930
35 | 1048
40 | 1174
45 | 1308
50 | 1436
55 | 2350
60 | 3500
1. táblázat
A rugóstag rúgókarakterisztikája
21. ábra

| Önellenőrző kérdések
1. A felsorolt jellemzők közül melyeket alkalmazzák a nyúlásmérő bélyegek esetén?
| Névleges terhelés.
| Alakváltozás és a villamosteljesítmény közötti viszonyszám.
| Áram és feszültség karakterisztika.
| Cellatényező (érzékenység).
| Alsó mérési határ.
| A bélyegen mérhető teljesítményesés.
2. Mely értékek nem megfelelők a huzalos nyúlásmérő bélyegek esetén?
| Élettartamuk: 106... 107 behatás.
| Rnévl: 120, 350, 600, 1000 Ω.
| Linearitási eltérésük: 1%-5% között.
| Mérhető legkisebb nyúlás: 0,1 µ⋅ε .
| Hőmérséklet tartomány: -20 °C - +150 °C-ig.
3. Fémfólia nyúlásmérő bélyegeknél a bélyegállandó értéke általában:
| 1,2 - 1,9
| 2 - 2,7
| 2,8 - 3,5
| 3,6 - 4,3
| 4,4 - 5,1
4. Mennyi lesz a 350 Ω-os k=2 nyúlási tényezővel (bélyeg tényező) rendelkező nyúlásmérő ellenállás ellenállásváltozása 1 ezrelék nyúlás hatására?
| 0,52
| 0,24
| 0,9
| 0,7
| 0,6
5. Mennyi lesz a 1000 Ω-os k=2,4 nyúlási tényezővel (bélyeg tényező) rendelkező nyúlásmérő ellenállás ellenállásváltozása 1 ezrelék nyúlás hatására?
| 0,94
| 0,24
| 1,6
| 2,7
| 2,4
6. Hogyan határozzuk meg a fajlagos hosszváltozás (?) mértékét?
| ε= d D D
| ε= d R R
| ε= d L L
| ε= d ρ ρ
7. Az ábrán egy rozettás nyúlásmérő bélyeg látható. A felsorolásból válassza ki a helyes állítást!
| Csak az "A" irányba terhelhető.
| Csak a "B" irányba terhelhető.
| Sem az "A" sem a "B" irányba nem terhelhető.
| Mind a két irányba terhelhető.
8. Melyik állítás igaz a szenzorok kalibrálásával kapcsolatban?
| A szenzorok kalibrálását mindig elég a mérési tartomány két végpontja közelében elvégezni.
| A szenzor kalibrálásakor a szenzor élettartamát és terhelési ciklusszámát határozzuk meg
| A lineáris karakterisztikájú szenzorok kalibrálását mindig elég a mérési tartomány két végpontja közelében elvégezni.
| A szenzorok kalibrálásakor a kalibrálási módszerek nyugodtan keverhetők egymással.
9. Melyik állítás igaz a szenzorok kalibrálásával kapcsolatban?
| A szenzorok kalibrálásakor a kalibrálási módszerek nyugodtan keverhetők egymással.
| A nem lineáris karakterisztikájú szenzorok esetén a lehetőségekhez képest minél több pontban kell kalibrálni, mert megnő a mérés hibája.
| A szenzor kalibrálásakor a nyúlásmérő bélyeg tápellátásának feszültségét és annak villamos teljesítményét határozzuk meg.
| A nyúlásmérő bélyegeket nem kell kalibrálni, mert az a mérés összeállítását követően automatikusan megtörténik.
10. Melyik állítás igaz a szenzorok kalibrálásával kapcsolatban?
| A szenzorok kalibrálásakor csak dinamikus módszereket lehet alkalmazni.
| A szenzorok kalibrálásakor a kalibrálási módszerek nyugodtan keverhetők egymással.
| A szenzorok kalibrálásakor a kalibrálási módszerek nem keverhetők egymással.
| A szenzorok kalibrálását mindig elég a mérési tartomány két végpontja közelében elvégezni.