Teoria Kompensacji



Tensometry foliowe, teoria kompensacji, metody kompensacji

Samoczynna kompensacja temperaturowa STC

Wstęp

Tensometry są zazwyczaj stosowane do produkcji czujników tensometrycznych lub też do badania sił przyłożonych do powierzchni materiału /stres test/. Gdy temperatura otoczenia zmienia się, ma to wpływ na zmianę rezystancji tensometru. To zjawisko nazywane jest termicznym współczynnikiem zmiany rezystancji. To zjawisko jest wynikiem interakcji materiału z którego wykonana jest siatka tensometru na zmieniająca się temperaturę otoczenia. Siatka może się kurczyć lub wydłużać. Wzór przedstawia matematyczny obraz tego zjawiska.

 εt=[(αg/K)+(βs-βg)]?t

W tym wzorze αg oraz  βg oznaczają współczynnik temperaturowy rezystancji materiału siatki oraz współczynnik rozciągania siatki tensometru.  K oznacza współczynnik czułości odkształceniowej tensometru. Natomiast βs oznacza współczynnik rozciągania się badanego przedmiotu/do którego przyklejony jest tensometr/.  Δt oznacza zmianę temperatury badanego obiektu oraz otoczenia.

Często tensometry mają duży współczynnik zmiany rezystancji co pokazuje

rysunek 1. Wspomniany współczynnik na duży wpływ na błędy pomiarów. Zmiana temperatury otoczenia zwiększa rozrzut odczytów. Doskonały tensometr miałby współczynnik zmiany rezystancji zero. Aby to osiągnąć opracowano system STC. Rysunek 2 przedstawia typową charakterystykę temperaturową stopu niklowo miedzianego oraz innych i tensometru ze stopu KARMA.

Rysunek 1: Krzywa stałej termicznej materiału wykonania tensometru w porównaniu z krzywą innych materiałów

Rysunek 2: Krzywa stałej termicznej dla  tensometrów ze stopu  KARMA i Constantan z kompensacją STC.

Poprzez dobór składu stopów z których wykonany jest materiał siatki tensometru oraz poprzez stosowanie metody formowania na zimno jak także odpowiednia obróbka cieplna sprawiają że wewnętrzna krystaliczna struktura materiału tensometru może kompensować zmiany temperaturowe właściwości siatki tensometru. W ten sposób termiczny współczynnik zmiany rezystancji jest utrzymywany na poziomie bliskim zera. Pozwala to na przeprowadzenie rzetelnych pomiarów, testów oraz pozwala na prawidłową pracę czujników tensometrycznych. Co istotne STC działa tylko w małym zakresie temperatur od około +20 do +250 ? .

 STC. Wybór współczynnika kompensacji

Aktualnie w sprzedaży oferujemy wiele tensometrów z systemem STC. Podzielone zostały one na grupy w zależności od materiału na którym będą one stosowane:

 

9: Powierzchnie tytanowe o współczynniku rozszerzalności 8.8 x 10?6 / ?

11 : Powierzchnie typu: Martensitic stal nierdzewna utwardzana, stale stopowe o współczynniku rozszerzalności temperaturowej 11.3 x 10?6 / ?

16: Powierzchnie miedziane, stale szlachetne o współczynniku rozszerzalności 16 x 10?6 / ?

23: Stopy aluminium o współczynniku rozszerzalności 23.2 x 10?6 / ?

27: Stopy magnezu o współczynniku rozszerzalności temperaturowej 23.2 x 10?6 / ?

Podczas kontaktu testowanego materiału tensometr przyjmuje jego temperaturę. Jednak zmiana temperatury siatki tensometru zostanie skompensowana I nie wpłynie na zmianę wskazań I nie będzie konieczności dokonywania żadnych dodatkowych kalibracji.

W przypadku gdy testowana powierzchnia ma różnice materiałowe /zła jakość stopu, zanieczyszczenia/ kompensacja może nie być wystarczająca. W takim przypadku zaleca się stosowanie układu z kilku mostków jednocześnie. Zaleca się wtedy zastosowanie pół-mostka lub pełnego mostka tensometrycznego. Wymaga to rozmieszczenia tensometrów na powierzchni badanego materiału I jednocześnie przyklejenie tensometru pomocniczego /tzw tensometru kompensacyjnego na innym fragmencie materiału, który powinien być wykonany z tego samego stopu I mieć taką samą temperaturę jak testowany element. Oba tensometry powinny być z tej samej partii /tej samej dostawy kolejny numer  LOT/. Obydwa tensometry powinny znajdować się w tej samej temperaturze /identyczne warunki środowiskowe/ najlepiej w bliskiej odległości od siebie. Połączenia należy zrealizować w tak zwanej metodzie mostka Wheatstone’a.

Samoczynna kompensacja pełzania

Wstęp

Pełzanie ma ścisły związek ze sprężystością materiału. Jest to cecha charakterystyczna dla wszystkich materiałów. W związku ze zjawiskiem sprężystości przetworniki wykazują tendencję do zawyżania wskazań wraz z upływem czasu (pełzanie dodatnie). Na zjawisko pełzania ma także wpływ: sprężystość materiału, struktura badanej powierzchni,, umiejscowienie tensometru, masa, obróbka cieplna materiału, temperaturę otoczenia. Podkład tensometru a także rodzaj kleju a zwłaszcza elastyczność tych materiałów może powodować pełzanie ujemne z upływem czasu. Z drugiej strony materiał z którego wykonana jest siatka tensometru nie jest elastyczny co powoduje pełzanie dodatnie. Kombinacja obu tych cech może powodować to że tensometr może mieć dodatnią lub ujemną charakterystykę pełzania. Zapobiegać tym zjawiskom można poprzez odpowiedni dobór przebiegu siatki, wyboru odpowiedniej folii oraz manipulacja innymi parametrami tj. Odpowiedni dobór kleju.  Przykładowo poprzez zastosowanie tensometrów o różnej wielkości siatki oraz manipulując innymi parametrami /inne folie I inne podkłady/ powinniśmy otrzymać krzywą jak na rysunku 3. Należy w taki sposób dobierać materiał wykonania tensometru aby odpowiadał on parametrami powierzchni na którą tensometr będzie zainstalowany. W ten sposób z łatwością uzyskamy współczynnik pełzania bliski zera. W taki sam sposób kompensuje się błąd pełzania przy produkcji czujników tensometrycznych. Kody “N” oraz “T” odpowiadają odpowiednim parametrom w systematyce nazw tensometrów. Oferowane przez nas tensometry posiadają stopień pełzania w typoszeregu co 0.01-0.015%FS/30min

Poszczególne stopnie pełzania N9 > N7 > N5 > N3 > N1 > N0 > N8 > N6 > N4 > N2 > T0 > T2 > T4 > T6 > T8 > T1 > T3 > T5

Odpowiedni wybór parametru kompensacji pełzania

Zaleca się przy stosowaniu tensometrów po raz pierwszy, aby wybrać typy tensometrów o dość odległych parametrach pełzania i przykleić je do badanego elementu.

Przy doborze tensometrów do produkcji czujników tensometrycznych należy pamiętać że im mniejszy zakres maksymalny tym większy będzie zjawisko pełzania dodatniego. Także przy niskich wartościach udźwigu powinno się wybierać tensometry o najwyższym parametrze N. Należy także zwracać uwagę na materiał badanej powierzchni I odpowiednio kierować się wyborem parametru pełzania.

Wartość pełzania zależy od wielu parametrów tj. Sprężystość badanego materiału, typ tensometru, rodzaj kleju, jak i metoda klejenia. Należy także odpowiednio wybrać tensometr ze względu na kierunek przebiegu siatki.

 

System kompensacji modułu sprężystości /moduł Younga lub moduł sprężystości wzdłużnej/

Wstęp

Wraz ze wzrostem temperatury otoczenia tensometru, zmienia się także jego kształt I rozmiar. Zgodnie z prawem Hook’a wraz ze wzrostem temperatury otoczenia, deformacja badanego obiektu będzie postępować nawet jeśli przyłożona do niego siła nie ulegnie zmianie. Zmieni się /wzrośnie/ także odczyt mierzonej siły. W takt wzrostu temperatury współczynnik tensometru powinien zmaleć. Odczyt, poprzez zmianę właściwości tensometru spowodowaną działaniem systemu kompensacji modułu sprężystości na skutek zmiany temperatury nie zmienił się. Tensometry z kompensacją modułu sprężystości nazywane są tensometrami SEM (Self-Elastic Modulus compensation). Działanie takich tensometrów jest identyczne jak STC ale dodatkowo posiadają funkcję kompensacji sprężystości. Ten system kompensacji pozwala na uzyskanie bardzo wiarygodnych odczytów z czujników tensometrycznych. Jeśli zastosujemy prawidłowo dobrany do sprężystości materiału tensometr SEM to dryft wskazań z takiego czujnika nie będzie większy niż 0.002%FS/?. W porównaniu z innymi metodami kompensacji w tym także elektronicznej, tensometry SEM dają dobrą stabilność, wyższą dokładność będą łatwiejsze w stosowaniu i tańsze. Jednakże tensometry wyposażone tylko i wyłącznie w metodę kompensacji SEM będą bardziej podatne na zmianę temperatury. To właśnie ograniczenie spowodowało konieczność opracowania metody STC i stosowanie jej razem z metodą SEM. Aktualnie taki rodzaj tensometrów jest najbardziej popularny.

 

 

Odpowiedni dobór parametrów kompensacji modułu sprężystości.

W celu uzyskania satysfakcjonującego rezultatu kompensacji modułu sprężystości, tensometr powinien być odpowiednio dobrany do sprężystości materiału na którym będzie pracował. Dlatego zaleca się testowanie tensometrów na co najmniej pięciu różnych przetwornikach/powierzchniach/. Na większości materiałów kompensacja temperaturowa tensometru daje niewielki efekt. Dzieje się tak dlatego że współczynnik temperaturowy materiału jest większy niż współczynnik kompensacji temperaturowej zwykłego tensometru. Dlatego zaleca się stosowanie tensometrów o wąskim przedziale temperatur roboczych. Dla czujników o większym przedziale temperatur pracy zaleca się stosowanie pół mostków lub pełnych mostków, co ma korzystny wpływ na temperaturowy dryf zera. Tensometry SEM są trudne do lutowania dlatego zaleca się stosowanie specjalnego topnika /dostępny na zamówienie/. Po lutowaniu należy dokładnie oczyścić powierzchnię tensometru.