Способ определения температуры и деформации детали
Владельцы патента RU 2393425:
Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн" (RU)
Изобретение относится к способам определения термофизических величин и может быть использовано для определения температуры и деформации детали при их одновременном воздействии на деталь. Способ определения температуры и деформации детали, при котором используют измерительное устройство, содержит два чувствительных элемента, смонтированных на одной основе, в качестве которых использованы два тензорезистора, установленные под углом друг к другу. 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 ΔRtε на каждом тензорезисторе по формуле вычисляют изменение сопротивления ΔRt, соответствующее температуре t, и ΔRε, соответствующее деформации ε. И затем определяют температуру t детали и величину деформации детали ε в месте установки тензорезисторов. Технической задачей изобретения является повышение точности определения температуры и деформации детали в условиях их одновременного изменения. 3 ил., 4 табл.
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.
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 ΔRtε на каждом элементе.
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 ΔRtε на каждом тензорезисторе вычисляют изменение сопротивления ΔRt, соответствующее температуре t, и ΔRε, соответствующее деформации ε, по формулам:
где 
- изменение сопротивления, измеренного при температуре t и деформации ε на тензорезисторе, для которого определяют ΔRt и ΔRε;
- 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.
Далее подвергают деталь одновременному воздействию температуры t и воздействию, вызывающему деформацию ε, при этом измеряют ΔRtε - изменение сопротивления каждого тензорезистора.
Вычисляют изменение сопротивления ΔRt, соответствующее температуре t, и ΔRε, соответствующее деформации ε, по формулам:
где - изменение сопротивления, измеренного при температуре t и деформации ε на тензорезисторе, для которого определяют ΔRt и ΔRε;
- 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·104 | ||
| 130 | 260 | 390 | |
| ΔR1ε·104 | 260 | 520 | 780 |
| ΔR2ε·104 | -55 | -115 | -180 |
| m=ΔR2ε/ΔRlε | -0,21 | -0,22 | -0,23 |
| m ср.=-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 | |
| ΔRtε·104 | - | 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·104 | Температура, t, °C | |||||||||||
| 22 | 50 | 75 | 100 | 125 | 150 | |||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| 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 |
Например, в какой-то момент времени =925×10-4; =-60×10-4.
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:
По графику зависимости (фиг.2) сопротивления тензорезистора 1 (фиг.1) находим ε=403·10-4 (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=390·10-4 и получены результаты, представленные в таблице 4.
| Таблица 4 | ||||||||
| Деформация, ε·104 | Температура, t, °C | Измеренная деформация, ε·104 | Погрешность, Δε·104 | |||||
| 22 | 50 | 75 | 100 | 125 | 150 | |||
| 130 |
|
|
|
|
|
|
131,3 | 0,02 |
| 260 |
|
|
|
|
|
|
265,2 | 0,08 |
| 390 |
|
|
|
|
|
|
402,3 | 0,19 |
| tизм. | 22,6 | 51,5 | 76,5 | 98,6 | 126,7 | 149 | Δtср.=0,5 | Δεср.=6,3 |
| Δtcp., °С | 0,6 | 1,5 | 1,5 | -1,4 | 1,7 | -1,0 |
Таким образом, средняя абсолютная погрешность измерения температуры Δtср.=0,5°С и деформации Δεср.=6,3·10-4, 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.
Способ 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 ΔRtε на каждом элементе, отличающийся тем, 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 ΔRtε на каждом тензорезисторе вычисляют изменения сопротивления ΔRt, соответствующее температуре t, и ΔRε, соответствующее деформации ε, по формулам:
и ΔRε=ΔRtε-ΔRt,
или 
и ΔRt=ΔRtε-ΔRε,
где 
- изменение сопротивления, измеренного при температуре t и деформации ε на тензорезисторе, для которого определяют ΔRt и ΔRε;
- 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.
