Konstrukce a kalibrace t!íkomponentních tenzometrických aerodynamických vah Václav Pospíšil *, Pavel Antoš, Ji!í Noži"ka Abstrakt P!ísp#vek popisuje konstrukci t!íkomponentních vah s deforma"ními "leny, jejichž výchylka je snímána polovodi"ovými tenzometry. Je uveden zp$sob zpracování signál$ z tenzometrických sníma"$, které tvo!í p!eur"enou soustavu. Je navržena kalibra"ní procedura a proveden odhad chyb. Uvedené za!ízení slouží pro m#!ení silových ú"ink$ v aerodynamickém tunelu laborato!e Odboru mechaniky tekutin a termomechaniky %VUT v Praze. ". Úvod Na model nebo skute"né dílo, vložené do aerodynamického tunelu, p$sobí proudící tekutina silovými ú"inky, které jsou zp$sobeny viskozitou prost!edí, jeho setrva"ností, stla"itelností a tíhou. Setrva"né síly jsou úm#rné množství vzduchu, které je pohybem ovlivn#no a urychleno. M#!ení silových ú"ink$ se provádí na aerodynamických vahách. Ty mohou být bu& statické nebo dynamické. Dynamické váhy m#!í okamžité hodnoty dynamických silových ú"ink$. Na Odboru mechaniky tekutin a termodynamiky byly pro ú"ely m#!ení v aerodynamických tunelech navrženy a zkonstruovány váhy t!íkomponentní. Váhy jsou schopny m#!it v libovolné poloze. Model se k vahám p!ipev'uje jedním pevným držákem. Navržené t!íkomponentní váhy umož'ují m#!ení dvou kolmých složek sil F x a F y a momentu M z v rovin# sil. Nap!íklad u leteckého profilu se m#!í odporová síla, vztlaková síla a klopivý moment. P!i obtékání modelu automobilu se m#!í bu& totéž (z momentu a vztlaku se vypo"tou p!ítla"né síly na nápravy), nebo odporová síla a zatá"ivý moment. M#!ení probíhá transformací silových ú"ink$ na elektrický signál, který se snímá a p!evádí do PC, kde je programov# vyhodnocen. 2. Konstrukce t!íkomponentních tenzometrických aerodynamických vah Vyrobené t!íkomponentní tenzometrické aerodynamické váhy na obr. ( se skládají z pohyblivé desky, pevné základové desky se t!meny a "ty! pružných "len$. Každý pružný "len je upevn#n ve t!menu ob#ma konci. Jeho st!ední "ást je pevn# spojena s pohyblivou deskou, která je uložena na "ty!ech totožných deforma"ních "lenech. Pružný kloub každého "lenu dovoluje oto"ení ve dvou navzájem kolmých rovinách. Kinematicky to odpovídá Kardanovu kloubu. Pokud navrhneme pružný kloub rota"n# symetrický, je tato podmínka spln#na automaticky. Také jeho poloha je jednozna"ná a stejná pro oba sm#ry ohybu. * POSPÍŠIL, Václav, Ing., %VUT v Praze, fakulta strojní, Ústav mechaniky tekutin a energetiky; tel. +420 224 352 66(, e-mail: Vaclav.Pospisil@fs.cvut.cz ANTOŠ, Pavel, Ing., %VUT v Praze, fakulta strojní, Ústav mechaniky tekutin a energetiky; tel. +420 224 352 58(, e-mail: p.an@post.cz NOŽI%KA, Ji!í, Prof., Ing., CSc., %VUT v Praze, fakulta strojní, Ústav mechaniky tekutin a energetiky; tel. +420 224 352 580, e-mail: tel. +420 224 352 580, Jiri.Nozicka@fs.cvut.cz
Navržené uložení pohyblivé desky kinematicky p!edstavuje dvojitý prostorový paralelogram. Ten umož'uje pohyb desky pouze v její rovin#. M#!ení je provedeno tenzometry prodloužením "ásti deforma"ního "lenu. Obr.1 T!íkomponentní tenzometrické aerodynamické váhy 2." Tenzometry Pružné "leny (obr. 2) jsou polepeny k!emíkovými odporovými tenzometry typu P (pozitivní deforma"ní citlivost), které využívají piezorezistentního jevu polovodi"$. Ve srovnání s klasickými kovovými odporovými tenzometry má následující p!ednosti: vysokou deforma"ní citlivost, v#tší únavovou životnost, nem#!itelnou vlastní hysterezi, vyšší mezní statickou pevnost a v#tší rozsah odpor$. Nevýhodou polovodi"ových tenzometr$ je nelineární deforma"ní charakteristika a jejich fotocitlivost. Tenzometr je tvo!en páskem monokrystalického k!emíku s p!ipojenými zlatými vývody o pr$m#ru 0,07 mm. Pásek k!emíku je samonosný, nevyžaduje nosnou podložku, nezbytnou u tenzometr$ drátkových i foliových a od m#!eného objektu ho elektricky izolujeme vrstvou vytvrzeného lepidla kolem 0,03 mm, vytvo!enou p!ed nalepením tenzometru. Základní parametry použitého polovodi"ového tenzometru AP (20-6 - (20 jsou [(]: jmenovitý odpor R 0 = (20! " 5#, jmenovitý sou"initel deforma"ní citlivosti K 0,0 = (20 " 5, teplotní sou"initel deforma"ní citlivosti (+20 C až +60 C) (6 %/ C, teplotní sou"initel odporu (+20 C až +60 C) +0,08 %/ C. Polovodi"ové tenzometry nemají lineární závislost pom#rné zm#ny odporu na deformaci a teplot#. Nelinearita závisí na koncentraci p!ím#sí v polovodi"i. Dosáhne-li se v#tší teplotní stability, zmenší se deforma"ní citlivost. Zvolený typ tenzometru má v rozsahu Obr.2 Detail deforma"ního "lenu
pom#rných deformací "0,00( odchylku od lineárního pr$b#hu závislosti odporu na deformaci jen "0,9 % zm#ny odporu. To je tak nízká hodnota, že zm#nu odporu v našem p!ípad# nahradíme lineární v uvedeném rozsahu. 2.2 Blok pomocných obvod# Každý ze "ty! pružných "len$ použitých na konstrukci vah je polepen vždy "ty!mi tenzometry v horní "ásti a "ty!mi v dolní "ásti na vn#jším povrchu v míst# št#rbiny. Protilehlé tenzometry R 1 a R 2 jsou zapojeny do p$lm$stku a spolu s odpory R 3 a R 4, které jsou umíst#ny mimo váhy, tvo!í Wheatson$v m$stek (obr. 3). M$stek je napájen konstantním stejnosm#rným nap#tím U. Odpor R 3 je prom#nné velikosti, aby bylo možné m$stek vyvážit tak, že nap#tí na svislé diagonále m$stku $U 0 bude velmi malé. Celkem je tedy na vahách (6 p$lm$stk$, ke kterým byl vyroben stejný po"et vyvažovacích p$lm$stk$. Ty jsou spolu se zdrojem stabilizovaného stejnosm#rného nap#tí, pot!ebného k napájení m$stk$, Obr.3 Zapojení tenzometr# do Wheatsonova m#stku umíst#ny na bloku pomocných obvod$ (obr. 4). Zdroj nap#tí je napájen z autobaterie o nap#tí (2V, které je redukováno d#li"em nap#tí a lze ho prom#nným odporem regulovat v rozsahu 0,9 až (2 V. Hodnota odpor$ R 4 je ( k! a maximální hodnota prom#nných odpor$ R 3 je 2,5 k!. 3. Sb$r dat Obr.4 Blok pomocných obvod# K m#!ení elektrického signálu je použita (6-ti bitová m#!icí karta AT-MIO-(6XE- 50 firmy National Instruments. Karta umož'uje p!i diferen"ním zapojení vstup$ snímat osm analogových signál$. Chceme-li proto m#!it všech šestnáct výstupních hodnot z m$stk$, je zapot!ebí použít dvou m#!icích karet. Pro ú"ely m#!ení a cejchování vah byl vytvo!en v programu LabVIEW ovládací panel m#!ení (obr. 5). M#!enými veli"inami zde jsou teplota okolí m#!ená termo"lánkem, velikost napájecího nap#tí m$stk$ a nap#tí $U. P!ed za"átkem m#!ení
se v panelu nastaví pro danou m#!enou veli"inu zesílení karty ("0,(; (; 5; (0 V) a po"et vzork$, ze kterých se stanovuje pr$m#rná hodnota. Pro všechny vstupy je nastavena vzorkovací frekvence na ( khz. M#!ená data se zapisují po!ádcích pro jednotlivá m#!ení do textových soubor$. Ty se dále na"ítají do programu MATLAB. M#!ené hodnoty všech veli"in jsou zobrazovány aktuáln# v dolní "ásti panelu. Obr. 5 Ovládací panel m$!ení Ze šestnácti nam#!ených údaj$ $U z m$stk$ vyhodnocujeme pouze t!i veli"iny (dv# složky sil F x a F y a moment M z v jejich rovin#). O algoritmu a zp$sobu vyhodnocení vícesložkového m#!icího za!ízení je podrobn# pojednáno v [3]. Pro vyhodnocení je použit program MATLAB. 4. Cejchování Cílem cejchování je stanovení matice konstant, která ur"uje lineární závislost mezi nam#!enými údaji a m#!enými veli"inami [3]. K cejchování se užívá záv#s, který p!i p!eklopení vah na bok umož'uje zat#žovat pohyblivou desku jak silou tak momentem. Na obr. 6 je vyzna"en zavedený sou!adný systém a pozice deforma"ních "len$. Postup p!i cejchovacím m#!ení je následující. V p!ípad# zat#žování osam#lou silou ve sm#ru osy +x, x, +y a y jsou zav#šována závaží až do celkové hmotnosti (000 g. V p!ípad# zat#žování pohyblivé desky momentem jsou postupn# na rameno o délce 300 mm zav#šována závaží do celkové hmotnosti 500 g v kladném i záporném sm#ru otá"ení. Pro cejchování byly vybrány takové m$stky, aby bylo možné síly F x a F y a moment M z vyhodnotit. P!íklad cejchování je na obr. 7 a), b). Obr. 6 Schéma vah se zavedeným sou!adným systémem
Obr. 7 a): Zatížení silou; b): Zatížení momentem V následujících grafech pr$b#h$ nam#!ených nap#tí $U na zatížení jsou prezentovány pouze hodnoty z m$stk$, které jsou orientovány shodn# se sm#rem zat#žování. Nap#tí $U u m$stk$ kolmých na sm#r zat#žování se prakticky nem#ní. V pr$b#hu m#!ení docházelo k mírným zm#nám ve velikosti nastavitelného odporu v obvodu stabilizátoru nap#tí a tudíž je nutné zavést korekci m#!ených hodnot nap#tí $U na jednotkové napájecí nap#tí. nap!tí (mv) 75 70 65 Zatížení silou ve sm!ru osy x nap!tí (mv) 75 70 65 Zatížení silou ve sm!ru osy y 60 60 55-10 -8-6 -4-2 0 2 4 6 8 10 zatížení (N) Obr.8 a) Cejchování síla ve sm$ru osy x; 55-10 -8-6 -4-2 0 2 4 6 8 10 zatížení (N) b) Cejchování síla ve sm$ru osy y
75 70 Zatížení momentem nap!tí (mv) 65 60 55-1.5-1.2-0.9-0.6-0.3 0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 moment (N.m) Obr.9 Cejchování - moment 5. Záv$r Pro ú"ely m#!ení na Odboru mechaniky tekutin a termomechaniky byla uvedena do provozu tenzometrická aerodynamické t!íkomponentní váhy. P!ísp#vek popisuje jednotlivé "leny navržené m#!icí soustavy, která umož'uje m#!ení silových ú"ink$ p$sobících na pohyblivou desku vah. Soustava byla uvedena do funk"ního stavu a bylo na ni provedeno cejchovací m#!ení. Byla potvrzena funk"nost navrženého zp$sobu uchycení pohyblivé desky prost!ednictvím deforma"ních "len$. Pro zdroj stabilního nap#tí se neukázalo p!íliš vhodné použití prom#nného cermetového odporu, nebo) vlivem vibrací m$že dojít ke zm#n# jeho velikosti. Chyba m#!eného nap#tí pro nastavený rozsah vstupního nap#tí na m#!icí kart# 5 až +5 V je 0,(5 mv. Použitá literatura [(] www.vtsz.cz [2] Navrátil, M.: M$!ení mechanického kmitání - úvod do teorie sníma"#. SNTL, Praha (98( [3] Antoš, P., Noži"ka, J.: Kalibrace statického vícesložkového m$!ícího za!ízení a aplikace pro aerodynamická m$!ení, Mechanika tekutin a termodynamika. Gradient, Praha 200(, ISBN 80-9027(4-8-0, s. 5-(2