Traductoare de forta si cupluri

Traductoare de forta si cupluri

Pentru masurarea fortei se pot folosi fie traductoare specifice, fie traductoare de deplasare care capteaza forta si o transforma intr-o deplasare.

Traductoarele de forta si cupluri sunt traductoare elastice care se bazeaza pe modificarea reversibila a formei unei structuri de baza (bara, inel) sub actiunea fortei aplicate: masurand lungirea sau contractia structurii respective, se obtin informatii despre marimea fortei care a determinat-o.

Lordul Kelvin a descoperit ca (in 1856), odata cu modificarile de natura mecanica (lungime l, sectiune S sau rezistivitate electrica r ale unui corp metalic sau semiconductor supus unei forte, are loc si o modificare a rezistivitatii acestuia - efectul tensorezistiv.

Aplicatiile industriale ale efectului tensometric isi fac aparitia mult mai tarziu, abia prin anul 1920.

Se utilizeaza timbrele tensorezistive realizate dintr-un fir conductor in zig-zag sau o folie conductoare foarte subtire ce se depune pe un suport izolator si se lipeste pe piesa solicitata. Suportul izolator si adezivul pentru lipire sunt materiale elastice si foarte durabile.

Schema de principiu:

Timbrele tensometrice se utilizeaza

cunoscandu-se caracteristica de transfer.

Pentru un timbru metalic, aceasta caracteristica

se reprezinta ca in figura :

un timbru tensometric are rezistenta nominala intre 100 si 500 Ω si poate masura deformatii de la cativa milimetri pana la cativa centimetri

materialele conductoare utilizate la realizarea timbrelor tensometrice sunt aliaje de nichel-crom (nichrom), nichel-crom-cupru-fier (karma), platina-wolfram, nichel-cupru (constantan)

timbrele tensometrice semiconductoare au sensibilitatea mult mai mare decat cele metalice, insa sunt neliniare (dependenta rezistivitate-forta nu este o ecuatie de gradul I)

referitor la influenta temperaturii, se produc concomitent trei fenomene: dilatarea piesei, dilatarea firului traductorului si modificarea rezistentei acestuia. Alegand convenabil materialele, devine posibila compensarea acestor efecte (realizare dificila in practica) prin compensarea erorilor cu temperatura, utilizand montaje diferentiale sau montaje compensate termic.

Traductoare de forta cu masurarea deplasarii

Aceste tipuri de traductoare prezinta o complexitate ridicata, functionand pe principiul transformari succesive a marimilor, prin transformarea fortei F intr-o deplasare Dl cu ajutorul unui traductor elastic, deplasare care, la randul sau este masurata cu un traductor electric.

Notand u - tensiunea la iesirea circuitului de masurare putem scrie:

(6.2.1)            

unde u/Dl reprezinta functia de transfer a traductorului electric cu circuitul sau de masurare.

Dupa cum s-a aratat, traductoarele electrice de deplasare pot fi rezistive, capacitive sau inductive, ultimele avand o utilizare mai frecventa .

Principial, in figura se prezinta un  traductor inductiv diferential de tip transformator cu urmatoarele elemente : 1 - tija; 2 - arcuri spirale; 3 - infasurari; 4 - distantier; 5 - miez magnetic.

Traductoarele de elastice utilizate (arcuri spirale, inele dinamometrice, console) prezinta deformatii mari pentru sarcini mici si sunt prevazute cu opritoare (limitatoare) de deplasare mecanica pentru a nu se deteriora la suprasarcini accidentale.

Miezul magnetic plasat pe axa tijei mobile asupra careia actioneaza forta F, se pozitioneaza in raport cu infasurarile traductorului cu ajutorul celor doua arcuri cu sensul de infasurare opus, in scopul compensarii erorilor de temperatura.

Tensiunea de iesire nominala poate fi de ordinul 1V la tensiuni de alimentare de cativa volti, frecventa de lucru atinge ordinul kilohertzilor, iar domeniul de masurare al acestor traductoare este de circa ±1 daN pentru deplasari de ±0,5 mm.

In cazul traductorului de cuplu asociat cu traductorul inductiv diferential, prezentat in figura alaturata, pe arborele - 1 cu diametrele diferite D si d, sunt plasate la o distanta l fata de suprafata de separare a sectiunilor, bobinele - 2 si circuitul magnetic - 3.

Solidar cu sectiunea de diametru mai mare a arborelui se fixeaza o armatura mobila - 4, a carui pozitie este perfect simetrica in raport cu bobinele, daca nu apare un cuplu.

Cand arborele este supus unui cuplu va avea loc o deplasare a armaturii mobile datorita deformarii acestuia, modificandu-se cele doua inductivitati ale bobinelor.

Trebuie precizat faptul ca daca apare si un cuplu de incovoiere, acesta nu influenteaza masuratorile.

Traductoare optoelectronice de cuplu

functioneaza pe principiul schemei prezentate in figura de mai jos ;

pe arbore sunt plasate, la o anumita distanta d, doua discuri perforate cu fante transparente si opace. In practica exista doua posibilitati de masurare:

1 - Cu modulatie de amplitudine caz in care sursa de lumina S si fotodetectorul FD sunt plasate in afara sistemului

deoarece zonele transparente aferente celor doua discuri sunt plasate decalat cu 1/4 din perioada geometrica, va rezulta, in absenta cuplului daca arborele se roteste, o succesiune de impulsuri cu durata de 1/4 din perioada.

• La aparitia unui cuplu, datorita rasucirii arborelui, se produce o modificare a pozitiei relative a planelor celor doua discuri si implicit a latimii impulsurilor, marimea masurata fiind data ca o valoare medie a semnalului de la iesirea fotodetectorului FD.

• Datorita faptului ca fluxul luminos al sursei nu este constant (la becuri cu incandescenta fiind proportional cu puterea a cincea a tensiunii de alimentare) este necesara calibrarea in amplitudine a impulsurilor la fotodetector.

2 - Cu modulatie de faza, caz in care sursa S se plaseaza intre cele doua fotodetectoare FD₁ si FD₂ asezate de o parte si de alta a discurilor.

• In cazul rotirii arborelui si transmiterii cuplului prin acesta, datorita modificarii pozitiei relative a celor doua discuri, va aparea un defazaj suplimentar intre semnalele produse de cele doua fotodetectoare, defazaj care este proportional cu cuplul transmis.

• Este necesara precizarea ca traductoarele bazate pe metode optice se pot utiliza numai in regim dinamic (arborele este in rotatie) si, spre deosebire de metodele prezentate anterior nu necesita contact intre arbore si partea de masurare.
• In cazul traductoarelor de cuplu cu timbre tensometrice sau traductoare inductive, la rotirea arborelui, este necesara realizarea unor legaturi electrice intre circuitele de masurare si traductoare, care in principiu pot fi cu contact sau fara contact.

• Pentru realizarea legaturilor electrice cu contact este necesara utilizarea unor inele si perii colectoare sau contacte in baie de mercur. Rezistenta de contact a acestora este variabila si depinde de oscilatiile vitezei, asperitatea suprafetei de contact si a vibratiilor, variatie cu valori de 5 ÷ 50 mW pentru inele, perii si de 0,25 mW pentru contacte in baie de mercur.

• In cazul unor materiale de natura diferita ce intra in contact pot sa apara si tensiuni termoelectromotoare, din cauza cresterii temperaturii locale si a frecarii, fenomene ce duc in acelasi timp la reducerea timpului de viata si la limitarea vitezei maxime de rotatie. Se considera ca viteza liniara maxima la nivel de contact este de circa 25 m/s, la viteze mai mari fiind necesare dispozitive suplimentare pentru racire.