Устройство для измерения деформаций при повышенных температурах

 

Устройство предназначено для измерения деформаций конструкций летательных аппаратов при испытаниях на прочность в условиях повышенных температур. Устройство состоит из упругой подложки, выполненной из пластины термостойкого неметаллического материала, выгнутой в виде двухопорной арки. На внешней и внутренней поверхностях подложки наклеены два или четыре термостойких тензорезистора, соединенных по схеме измерительного полумоста или моста. Концы упругой подложки шарнирно оперты на узлы крепления, установленные в съемной монтажной рамке, выполненной из материала упругой подложки. Упругая подложка может быть выполнена из кварцевого стекла или термостойкой керамики. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам измерения деформаций конструкций при испытаниях на прочность в условиях повышенных температур.

Область применения - авиастроение, машиностроние, судостроение, атомная энергия и др.

При испытаниях на прочность материалов и конструкций необходимо производить измерения деформаций при высоких температурах до 500 - 1000^oC в широком диапазоне диаграммы "σ-ε" . При этом важным требованием к измерительным устройствам является обеспечение высокой точности измерения и достоверности получаемой информации. Высокая точность измерения деформаций конструкций в значительной мере зависит от разброса номинальных сопротивлений тензорезисторов в партии, стабильности измерительных характеристик во времени, обеспечения компенсации температурных приращений тензорезисторов, помехоустойчивости от воздействия электромагнитных помех, защищенности от воздействия агрессивных сред, обеспечения технологичности монтажа на поверхности конструкции, габаритных размеров и др.

Анализ технических характеристик показал, что известные измерительные устройства ряду указанных требований полностью не отвечают, поэтому создание и внедрение в практику экспериментальных исследований предлагаемого устройства является актуальной технической и экономической задачей.

Известны наклеиваемые термостойкие тензорезисторы (Баранов А.Н., Белозеров Л. Г. , Ильин Ю.С., Кутьинов В.Ф. Статические испытания на прочность сверхзвуковых самолетов. М.: Машиностроение, 1974, с. 273 - 303 и Клокова Н. П. Тензорезисторы. М.:Машиностроение, 1990, с. 194 - 208), содержащие диэлектрическую подложку, чувствительную решетку и выводные проводники.

Недостатками известных термостойких тензорезисторов являются ограниченный диапазон измерения деформаций (±200·10^-5 отн.ед), отсутствие схемой компенсации температурного приращения сопротивления, наличие значительных погрешностей измерения при электромагнитных помехах, применение косвенного метода градуирования для определения чувствительности и др.

Известен высокотемпературный тензоретистор типа НМТ-450, принятый за прототип, предназначенный для измерения деформаций в диапазоне температур 20 - 450^oC ("Тензорезистор высокотемпературный типа НМТ-450", техническое описание и паспорт, Краснодарский завод тензометрических приборов; [1, 2]), содержащий плоскую металлическую подложку и наклеенный на ее внешней поверхности термостойкий тензорезистор. Металлическая подложка после тепловой обработки совместно с тензорезистором приваривается точечной сваркой на поверхности исследуемой конструкции.

Недостатками устройства являются ограниченный диапазон измерения деформаций (до ±200·10^-5 отн.ед.), большое значение температурного приращения сопротивления (величина температурной характеристики при 450^oC достигается 1400·10^-5 отн. ед. ),большая собственная жесткость устройства на растяжение (сжатие), большое значение погрешности измерения при воздействии электромагнитных помех и др.

Задача изобретения состоит в расширении функциональных возможностей устройства, которое достигается путем увеличения диапазона измеряемых деформаций, повышения точности измерения, уменьшение погрешностей измерения от воздействия электромагнитных помех, сокращения эксплуатационных расходов на подготовку и проведение измерений, что является техническим результатом.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения деформаций при повышенных температурах, содержащем, плоскую металлическую подложку с наклеенным на внешней поверхности термостойким тензорезистором и измерительную аппаратуру, упругая подложка выполнена выпуклой в виде арки из пластины термостойкого неметаллического материала толщиной 0,1 - 0,2 мм с наклеенными на ее внешней и внутренней поверхностях двумя или четырьмя термостойкими тензорезисторами, соединенными по схеме измерительного полумоста или моста, и термодатчиком, концы упругой подложки шарнирно оперты на узлы крепления, установленные в съемной монтажной рамке из материала, аналогичного материалу упругой подложки с отверстиями для штока градуировочного приспособления.

На фиг. 1 представлена конструкция измерительного устройства; на фиг. 2 - электрическая схема устройства и подключения его к измерительной аппаратуре; на фиг. 3 - градуировочная характеристика макета устройства при номинальной температуре при работе с измерительной системой СИИТ-3.

Предлагаемое устройство (фиг. 1) состоит из упругой подложки 1, термостойких тензорезисторов 2, узел крепления 3, легкосъемной монтажной рамки - корпуса 4, соединительных проводов 5, клеммных колодочек 6 и термодатчика 7.

Упругая подложка 1 выполнена из тонкой пластины толщиной 0,1 - 0,2 мм из термостойкого неметаллического материал, например кварцевого стекла, керамики или ситалла, выгнутой в виде арки, опертой шарнирно по концам в узлах крепления 3.

В средней части пластины на внешней и внутренней поверхностях наклеены по одному или по два термостойких тензорезисторов 2, соединенных проводами 5 по схеме измерительного полумоста или моста и приваренных электродуговой сваркой к клеммным колодочкам 6.

Для удобства наклейки тензорезисторов на упругой подложке, хранения устройства и его монтажа на поверхности исследуемой конструкции 10 с заданной базой измерения "Б" в устройстве предусмотрена легкосъемная базовая монтажная рамка 4 из того же материала, что и упругая подложка, в которую устанавливаются узлы крепления 3 с упругой подложкой 1 и тензорезисторами 2. Рамка состоит из двух половин, соединяемых при помощи болтов 8. В опорных стенках рамки предусмотрены отверстия 9 для штока градуировочного приспособления.

Для определения температуры упругой подложки и тензодатчиков в процессе тепловой обработки и проведения измерений в устройстве наклеен малоинерционный термодатчик 7.

Установка устройства на поверхности исследуемой конструкции осуществляется путем точечной электроразрядной сварки или приклейки термостойким цементом (клеем) узлов крепления 3.

С целью расширения температурного диапазона измерения, обеспечения стабильных измерительных характеристик, повышения точности измерения при высоких температурах в устройстве упругий элемент изготавливается из неметаллических материалов, например боросиликатных, алюмосиликатных или кварцевых стекол (t_maxc до 1000^oC), ситалловые материалы (t_maxc до 700 - 750^oC), керамические материалы (t_maxc до 1200 - 1600^oC). Указанные материалы обладают сравнительно высокой прочностью на изгиб, высоким модулем упругости, высокой стойкостью к окислению и воздействию термоударов (см. Материалы в приборостроении и автоматике, 2-е издание. Под ред. Ю.М. Пятина.М.: Машиностроение, 1982, с. 419).

Применение шарнирного опирания концов упругого элемента обеспечивает деформирование его по радиусу дуги, уменьшает уровень местных концентраций напряжений в зоне опирания, упрощает технологию изготовления устройства, снижает погрешности измерения.

В качестве первичных преобразований в устройстве применяются термостойкие тензорезисторы, от температурного диапазона которых в значительной мере зависит рабочий диапазон температур устройства.

Так, например, для устройства с рабочим диапазоном температур 0 - 600^oC могут быть использованы тензорезисторы типа ВТ-ХЮ (см. Баранов А.Н., Белозеров Л.Г., Ильин Ю.С., Кутьинов В.Ф. Статические испытания на прочность сверхзвуковых самолетов. М.: Машиностроение, 1974, с. 280 - 284).

После наклейки и монтажа тензорезисторов ВТ-ХЮ на упругой подложке устройство вместе со съемной монтажной рамкой подвергается предварительной тепловой обработке по довольно сложной технологии с максимальной температурой 550^oC. Эта операция позволяет избежать предварительного нагревания конструкции до начала испытаний и, соответственно, снизить эксплуатационные расходы на подготовку испытаний и избежать возможного снижения прочности конструкционного материала.

Измерительный полумост или мост устройства, состоящий из двух или четырех тензорезисторов 2, через измерительный коммутатор 11, (см. фиг. 2) подключается к измерительной системе 12. Для управления измерительной системой, сбора, обработки и представления информации о деформированном состоянии конструкции используется ЭВМ 13 (см. Система измерительная тензометрическая СИИТ-3. Руководство по эксплуатации, 4Т2.739.ООЧ РЭ, Краснодарский завод "Тензоприбор" и описание компьютера IBM PC/AT типа 286).

Решение поставленных задач достигается за счет применения упругой подложки, выполненной из термостойкого неметаллического материала, например тонкой пластины из кварцевого стекла, керамики или ситалла в виде двухпроводной арки; шарнирного стирания концов упругой подложки в узлах крепления; наклейки на поверхности упругой подожки двух или четырех термостойких тензорезисторов, соединяемых по схеме измерительного полумоста или моста; применения для изготовления, хранения и монтажа легкосъемной монтажной базовой рамки из материала, аналогичного материалу упругой подложки; избежания предварительной тепловой обработки до высоких температур конструкции после монтажа на ней измерительного устройства; обеспечения индивидуальной градуировки каждого устройства; обеспечения многократного применения устройства при различных испытаниях и возможности проведения повторных градуировок.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Устройство до монтажа на исследуемую конструкцию устанавливают в градуировочное приспособление и, задавая измерительным штоком микрометра через отверстие 9 (см. фиг. 1) в монтажной рамке 4 нормированные значения перемещений f одному из узлов крепления устройства, определяют зависимость выходного сигнала устройства A от величины перемещения A = ϕ(f) и, соответственно, коэффициент преобразования K. Аналогично может быть проградуировано устройство по величине задаваемой деформации на соответствующем градуировочном приспособлении, т.е. A = ϕ(ε) .

Затем предлагаемое устройство укрепляет на поверхности конструкции в исследуемой зоне 10 и подключает к измерительной аппаратуре 12 через коммутатор 11 (см. фиг. 2) например, к системе СИИТ-3.

При испытаниях конструкция нагружается и нагревается, что приводит к деформированию ее элементов и, соответственно, изменению начальной базы измерения Б (см. фиг. 1) устройства. При измерении базы измерения (изменение расстояния между узлами крепления 3) деформируется упругая подложка 1, что, в свою очередь, деформирует чувствительную решетку тензорезисторов 2, наклеенных на упругой подложке. При этом изменяется начальное сопротивление тензорезисторов R на величину ± ΔR . Например, при полумостовой схеме включения тензорезисторов и увеличении базы измерения сопротивление тензорезистора R₁, наклеенного на выпуклой поверхности упругого элемента, уменьшается на величину ΔR₁, а сопротивление тензорезистора R, наклеенного на вогнутой поверхности, увеличивается на ΔR₂ , что приводит к возникновению в измерительной диагонали моста электрического сигнала, пропорционального величине деформации поверхности конструкции, который регистрируется аппаратурой 12 и обрабатывается ЭВМ 13 с учетом градуировочной характеристики A = ϕ(f) или A = ϕ(ε_ср) .

Величина выходного сигнала измерительного моста при двух активных тензорезисторах равна ΔU = U·S·ε_ср, где
U - напряжение питания моста;
S - коэффициент тензочувствительности тензорезисторов;
ε_ср - средняя деформация упругого элемента.

В качестве примера на фиг. 3 приведена зависимость для макетного образца устройства с базой измерения, равной 25 мм, при нормальной температуре для упругих элементов с двумя тензорезисторами, включенными по схеме измерительного моста, и подключенного к системе СИИТ-3.

Применение предложенных устройств обеспечит возможность измерения деформаций при испытаниях гиперзвуковых летательных аппаратов при нестационарных тепловых режимах в диапазоне температур до 500 - 1000^oC, расширение диапазона измерения деформаций в 10 - 20 раз, увеличение точности измерения в 1,5 - 2 раза в условиях нестационарных тепловых процессов и сократит в 2-2,5 раза эксплуатационные расходы на подготовку и проведение испытаний.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения деформаций при повышенных температурах, содержащее плоскую упругую подложку с термостойким тензорезистором и измерительную аппаратуру, отличающееся тем, что в него введены узлы крепления упругой подложки, съемная монтажная рамка с отверстием для штока градуировочного приспособления и термодатчик, при этом упругая подложка выполнена выпуклой в виде арки из пластины термостойкого неметаллического материала толщиной 0,1 - 0,2 мм, на внешней и внутренней поверхностях упругой подложки наклеены два или четыре термостойких тензорезистора, соединенных по схеме измерительного полумоста или моста, концы упругой подложки шарнирно оперты на узлах крепления, которые установлены в съемной монтажной рамке, выполненной из материала упругой подложки.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упругая подложка выполнена из кварцевого стекла.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упругая подложка выполнена из термостойкой керамики.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3