Zdeněk RAMBOUSKÝ 1 KONTAKTNÍ SNÍMAČ POSUNUTÍ PRO TEPLOTU DO 400 C - TECHNICKÉ ŘEŠENÍ CONTACT DISPLACEMENT TRANSDUCER FOR TEMPERATURES TO 400 C

Transkript

1 Zdeněk RAMBOUSKÝ 1 KONTAKTNÍ SNÍMAČ POSUNUTÍ PRO TEPLOTU DO 400 C - TECHNICKÉ ŘEŠENÍ CONTACT DISPLACEMENT TRANSDUCER FOR TEMPERATURES TO 400 C Abstract Technical solution and design of strain gage point contact displacement transducer for elevated temperatures up to 400 C for laboratory research on the influence of temperature on stress strain behaviour of rock joints subjected to mechanical stress. Měření přetvárných vlastností hornin při jednoosém zatěžování za pokojové teploty se obvykle provádí v ÚGN AV ČR na mechanickém lisu ZWICK 600 kn s programovým řízením. Zkušební tělesa mají tvar válce se štíhlostí 2. Při řešení grantového projektu č. 105/04/1019 Vliv teploty na změny plynopropustnosti hornin za trojosého stavu napjatosti vyvstal dílčí problém měření příčných deformací zkušebních těles ve tvaru válce o průměru 48 mm a délce 96 mm za zvýšených teplot v rozsahu o C. Používaná klasická nedestruktivní elektronická měřidla na principu mechanického kontaktu se zkušebním tělesem mají přitom dovolený rozsah teplot pouze do několika desítek o C nad nulou. Časový průběh experimentu je v podstatě dán dynamikou regulace teploty v použité termické komoře a na způsobu sdílení tepla resp.dobou rovnoměrného prohřátí zkušebního tělesa závisející zejména na tepelné vodivosti materiálu (horniny). Zkušební těleso se na počátku experimentu nachází ve vychladlé termické komoře s teplotou odpovídající okolí a v kontaktu s čelistmi mechanického lisu vyvozujícího zatížení v ose tělesa. Následuje regulovaný ohřev na žádanou cílovou teplotu v rozmezí o C rychlostí cca 100 o C/hod., časová prodleva na ustálení poměrů a poté poměrně rychlé osové zatěžování až do destrukce v čase několika minut. Tímto jsou v podstatě dány požadavky na vlastnosti měřidla deformace: rozměry zkušebního tělesa: průměr 48 mm, délka 96 mm, rozsah měření příčné deformace max. 2mm, ustálená teplota 400 o C, v průběhu měření konstantní, doba měření deformace na ustálené teplotě několik minut, stabilita vlastností měřidla při opakovaných měřeních, přesnost min. 5%. Vhodnou měřící aparaturou pro uvedené podmínky se jeví například sestava CCD televizní kamery ve spojení s počítačem. Kamera by byla umístěna v obyčejném prostředí a zkušební těleso by sledovala průzorem v termické komoře. Přesnost měření je v tom případě dána rozlišením CCD prvku. Příkladem takové aparatury je videoextenzometr ME.46. fy MESSPHYSIK (Rakousko) používaný ve zkušebním systému s japonským univerzálním zatěžovacím strojem SCHIMADZU typ AG-G 100 kn. Jinou možností je využití dosavadních zkušeností, které má ÚGN AV ČR v měření deformací zkušebních těles při jednoosém i trojosém zatěžování viz patentovaný spis č Rambouský Zdeněk, cz a podle uvedeného vzoru vyvinout obkročné diferenční měřidlo (úchylkoměr) v podobě pružného členu osazeného tenzometry. 1 Ing., Ústav geoniky AV ČR, Studentská 1768, Ostrava, rambousk@ugn.cas.cz 129

2 Výhodu tohoto řešení spatřujeme ve standardním připojení na stávající měřící skříň, protože se jedná o poloviční tenzometrický můstek. Rovněž odhadované náklady jsou minimálně o řád nižší. Řešení dále pokračuje tímto směrem. Obecnou podmínkou správné funkce snímačů je definovaný a spolehlivý převod vstupní fyzikální veličiny, např. posunutí na výstupní (elektrickou) veličinu vhodnou pro další zpracování. Na správnou funkci snímače má vliv více faktorů. Jedním z nich je prostředí, ve kterém se nachází. Dominantní v daném případě je vliv teploty, která způsobuje vratné ale také nevratné změny vlastností snímače dochází k jeho přetvoření. Je tedy nutný kompromis: minimalizovat tyto změny a dosáhnout tak vyhovující přesnosti měření. Vlastní měrný člen dle obr. 1 má tvar prstence podobně jako v P.S. č Prostřednictvím stavitelných hrotů na koncích se měrný člen pružné dotýká zkušebního tělesa. Uprostřed jsou instalovány dva tenzometry zapojené jako poloviční Wheastonův můstek. Z hlediska mechaniky se jedná o nosník podepřený na koncích a přetvářený ohybem v mezích pružnosti. Obr.1 Měrný člen a přítlačné pero Při návrhu tohoto uspořádání byla sledována následující myšlenka: Dokonale pružné těleso neexistuje. Ohyb nosníku měrného členu bude vždy složen z části elastické a plastické. Poměr těchto složek je závislý na materiálových vlastnostech, úrovni ohybového napětí, teplotě a čase. Bude-li však celá vstupní veličina (ohyb nosníku) zavedena do části kryté tenzometry, t.zn. neztratí-li se její část vinou plastického přetvoření části měrného členu v rozsahu mimo tenzometry, bude také příslušná chyba měření eliminována. Kompromisně je této podmínce vyhověno tak, že měrný člen má nestejný průřez. V rozsahu nalepených tenzometrů je nosník výrazně zeslaben oproti zbývající části. Pokud jde o materiál k výrobě pružných částí, byly vybrány vhodné nerezivějící oceli. Sledovanými vlastnostmi pro daný rozsah teplot 20 až 400 o C přitom byly: žárupevnost, pružnost, žáruvzdornost, obrobitelnost. 130

3 Pro konstrukci měrného členu by co do vlastností za zvýšených teplot velmi dobře vyhověla např. rychlořezná ocel. Z důvodu nedostupnosti materiálu splňujícího všechny požadavky však byl zvolen kompromis: měrný člen chromniklová ocel s dobrou žáruvzdorností, přítlačné pero feritická chromová ocel, po opracování zušlechtěna kalením. Toto řešení však přináší i podstatné výhody. Oddělení funkce přítlaku umožňuje nastavit nulovou úroveň pohybového napětí měrného členu, čímž se významně zmenší tečení (creep effect) tenzometrů i plastické přetvoření nosníku a přítlačné pero je v případě ztráty pružnosti možno vyměnit. Vlastní měrný člen, jehož výroba je poměrně náročná, zůstává přitom nedotčen. Teplotnímu rozsahu o C odpovídá i výběr tenzometrů, lepidla, připojovacích vodičů a technologie instalace. Vše potřebné včetně instalačních doporučení dodala fa VISHAY Measurements Group Mestechnik (USA): tenzometry typ FSM S6 fa Thermo BLH Inc., lepidlo typ PLD-700 fa VISHAY BLH, prostředky pro přípravu povrchu: MCA - + Metal Conditioner MN5A - + Neutralizer, pájka typ 1240 FPA, stříbrná, kabel typ 126-GWF-030 Solid nickel-clad cooper wire, izolace z keramických vláken. Tenzometry jsou instalovány technologií doporučenou výrobcem, spoje s kabelem vytvořeny odporovým svářením stříbrnou pájkou, spolehlivost instalace ověřena opakovaným ohřevem v rozsahu do 400 o C. Na obr. 2 je kompletní měřící komora s vloženým kalibračním válcem po opakovaných zkouškách stability výstupu. Tělo komory tvoří cylindr, v jehož drážce situované v polovině výšky zkušebního tělesa je zasazen měrný člen s tenzometry a pero pro přítlak. Skrze průzory v plášti procházejí stavitelné hroty měrného členu na zkušební těleso a naproti nim jsou instalovány mechanické dorazy, které spolu s pláštěm zabezpečují ochranu měrného členu při křehké destrukcí zkušebního tělesa. Četné otvory v plášti umožňují prohřátí tělesa. Na obr. 3 je měřicí komora s kalibračním válcem situovaná v lisu zwick a v termokomoře s programově řízenou teplotou v závislosti na čase. Obr.2 Měřící komora 131

4 Obr.3 Uspořádání měřící komory v termokomoře a lisu ZWICK při experimentu 0, ,03 Teplot 0, Posunutí [mm] 0,01 0-0, Teplota [ C] -0,02 2.cykl 3.cykl 100-0,03 4.cykl -0, Čas [min] Obr.4 Graf znázorňující výsledek ověřování stability údaje měřidla v závislosti na teplotě a čase 132

5 Zařízení se v současné době nachází ve stavu ověřování vlastností. Provedené zkoušky stability při opakovaném ohřevu a ochlazení v teplotním rozsahu 20 až 400 o C a době 100 minut dovolují předpokládat, že měřidlo vyhoví zadaným požadavkům, protože dle zadání na úvodní straně celý experiment proběhne na zvolené ustálené teplotě v čase několika minut, tedy v době nesrovnatelně kratší. První cyklus proběhl chybně z důvodu nespolehlivého mechanického kontaktu měrného členu s měřeným tělesem. Ohřevy k cílové teplotě 400 o C byly řízeny stále stejným programem, proto je zobrazena pouze jedna křivka teploty. Náběh posunutí v počátku lze přisoudit nestejnému současnému ohřátí měrného členu a měřeného tělesa. Návrat na teplotu okolí probíhal přirozeným chladnutím při otevřené termokomoře. V průběhu ověřování stability údaje měřidla nebylo se zařízením manipulováno. Z grafu je patrná postupná stabilizace vlastností měřidla s opakováním teplotních cyklů. Poděkování Vývoj snímače a měření s tím spojená byla provedena v rámci řešení grantového projektu GA ČR č. 105/04/1019 Vliv teploty na změny plynopropustnosti hornin trojosého stavu napjatosti. 133

6 134