Realizace měření Hliníkový, volně stojící žebřík Angela Bäumel HBM Darmstadt
2
Měřicí úloha echanická pevnost konstrukce pod běžným zatížením pod zatížením na hranici bezpečnosti oloha těžiště při normálním úhlu rozevření pod běžným zatížením pod zatížením na hranici bezpečnosti při redukovaném úhlu rozevření pod běžným zatížením pod zatížením na hranici bezpečnosti ynamická zátěž kolébání / cukání (např. když jedna špatně ustavená noha sklouzne) žití této sestavy pro vážení (pouze pro zajímavost v praxi nepoužitelné) 3
Mechanická pevnost Měřicí místa / Měřicí metody Měření přetvoření výpočet mech. zatížení Na vybraná místa konstrukce jsou aplikovány tenzometry různého provedení Schodky (příčle) měření přetvoření Dvě možnosti: V ohybu Ve smyku Nohy (svislé nosníky) Dominantní zátěž očekávána v podélném směru, k tomu široká škála přídavných zatížení 4
Mechanická pevnost Omezení Rozvaha před měřením: Pokud možno žádné změny konstrukce spojené s odtraňováním materiálu frézováním nebo vrtáním Pokud možno kabely umístěné a vedené tak, aby nebránily zatěžování Váha připojovacích kabelů má konstrukci co nejméně zatěžovat Připojovací kabely budou dostatečně dlouhé a stejné délky, aby konfigurace (pořadí) měřicích míst zůstaly flexibilní Všechny připojovací kabely vybaveny konektory Je potřebná automatická detekce měřicího místa? 5
Tenzometrické měření na žebříku Nákres měřicích míst 6
Poloha těžiště Měřicí body / Měřicí metody Pro určení polohy těžiště požadováno měření: Vertikální síly na všech nohách Relativní (absolutní není třeba) Řešení: Snímače zatížení (váhy) pod všechny nohy 7
Detailní rozvaha tenzometrické aplikace 8
Wheatstonův můstek R 1 R 4 R 1 U out is positive U in R 2 R 3 R 2 U out is negative U out 9
10 R R < < 4 3 2 1 R R R R = = = a také pro (přibližně 1000x) Wheatstonův můstek + = 4 4 3 3 2 2 1 1 4 1 R R R R R R R R U U in out ( ) 4 3 2 1 4 ε ε ε ε + = k U U in out ε = k R R kdy
Wheatstonův můstek ¼ most ε 1 ( + ) R4 R2 R3 ½ most Plný most ε 1 ( + ) R4 ε 1 ( + ) ε 4( ) ε 2( ) R3 ε 2( ) ε 3 ( + ) 11
Ohybové zatížení Ohyb s tenzometrickým 1/2 mostem U U out in = k 4 ( ε ε 2) 1 F + SG 2 SG 1-12
Ohybové zatížení Výhoda: Velké přetvoření Největší zatížení daného mech. prvku (příčle) v praxi je právě ohybové Nevýhody: Velikost přetvoření závisí na vzdálenosti od místa zavedení síly Při stupání na žebřík může být aplikace tenzometrů na ohyb (shora příčle) jednoduše zničena Obecné rozložení napjatosti pro určení hlavního směru napjatosti by byla vhodná tenzometrická růžice Pro aplikaci tenzometrů by bylo nutné odbrousit vroubkovaný povrch příčky - nepovolená mechanická úprava 13
Smykové napětí 14
Smykové napětí F SG 1 SG 2 U U out in = k 4 ( ε ε 2) 1 15
Smykové napětíí Výhody: Měřené místo není mechanicky ohroženo ani při častém zatěžování Dvouosá napjatost se známým směrem hlavní napjatosti Stačí instalovat pouze jeden tenzometr se dvěma mřížkami Není třeba mechanických úprav příčle Nevýhody: Menší výstupní signál Smykové zatížení nepředstavuje hlavní zatížení mechanického prvku (tím je ohyb) 16
17
Tabulka průhybových křivek 18
Zjednodušená verze rozložení smykového napětí v dvakrát uloženém nosníku F G = zatížení; F A = síla v uložení A; F B = síla v uložení B; F S = smyková síla F G 0.5 F G 0.5 F SA F SB F A =0.5 F G F SA = F SB = 0 F B = F G 0.5 19
Zjednodušená verze rozložení smykového napětí v dvakrát uloženém nosníku F G = zatížení; F A = síla v uložení A; F B = síla v uložení B; F S = smyková síla F G F SA F SB F B = F G 0.16 F A =0.84 F G F SA = F A - F G = -F G 0.16 20
Zjednodušená verze rozložení smykového napětí v dvakrát uloženém nosníku F G = zatížení; F A = síla v uložení A; F B = síla v uložení B; F S = smyková síla F G F SA F SB F A =0.16 F G F SB = F G - F B = F G 0.16 F B = F G 0.84 21
Zjednodušená verze rozložení smykového napětí v dvakrát uloženém nosníku Uložení na obou stranách nosníku způsobuje následující: Znaménko smykového napětí se mění přibližně ve středu příčle Napětí je konstantní v celé oblasti od upevnění až do středu Díky konstrukci příčle (dutý profil) teoretické předpoklady při ověřování měřením neplatí stoprocentně Způsob přivedení síly (bodové nebo rozložené) má značný vliv na měřenou hodnotu Upevnění příčle do svislých nosníků mění v určité oblasti rozložení napětí 22
Převod na mechanické zatížení Pro výpočet je užit signál přetvoření τ = ε G Kde τ = smyková napjatost (vyslov "tau") ε = Aktivním půlmostem měřené přetvoření (relativní prodloužení) G = Smykový modul pružnosti (pro hliník = 27,000 N/mm 2 ) 23
Mechanická pevnost Měřicí body / Měřicí metody Svislé nosníky měření přetvoření ve svislých nosnících Zatížení v tlaku Výpočet mechanického zatížení z měřených hodnot napjatosti Měření rozložení sil v nohách Posouzení stability 24
Mechanická pevnost Měřicí body / Měřicí metody 25
Půlmost - zatížení tlakem F SG 1 SG 2 + - F U U in k 4 Tlakové zatížení k 4 ( ε 1 ( µ ε 1) ) = ( 1 µ ) ε 1 out = + Pro hliník: µ= 0.33 U U out in = k 4 1.33 ε 1 26
Analýza zatížení v místech upevnění příčlí Pro vyšetření zatížení materiálu v místě upevnění příčle je na svislém nosníku istalovaná tenzometrická růžice Je měřeno přetvoření ve třech směrech 0 /45 /90. Mřížka b leží v ose příčle, takže referenční mřížka svírá úhel 45 s podélnou osou svislého nosníku 27
Analýza zatížení v místech upevnění příčlí 28
29 Jak určit σ 1 a σ 2 Následující vztah platí pro 0º/45º/90º růžici: 2 2 2 / 1 ) ( ) ( ) 2(1 2 1 b c b a c a E E ε ε ε ε µ ε ε µ σ + + ± + = Pro hliník: E = 70, 000 N/mm 2 µ = 0.33
Určení úhlu α Z N > 0 ( + ) > 0 ( + ) < 0 ( - ) < 0 ( - ) > 0 ( + ) < 0 ( - ) < 0 ( - ) > 0 ( + ) I II III IV a α 1 2 (0 + ψ) 1 2 (180 - ψ) 1 2 (180 + ψ) 1 2 (360 - ψ) Ψ = arctan 2ε ε b a ε ε a c ε c α 30
Analýza zatížení v místech upevnění příčlí směr hlavní napjatosti σ 1 α 31 31
Určení úhlu α Z N > 0 ( + ) > 0 ( + ) < 0 ( - ) < 0 ( - ) > 0 ( + ) < 0 ( - ) < 0 ( - ) > 0 ( + ) I II III IV a α 1 2 (0 + ψ) 1 2 (180 - ψ) 1 2 (180 + ψ) 1 2 (360 - ψ) Ψ = arctan 2ε ε b a ε ε a c ε c α 32
Detailní rozvaha k určení polohy těžiště 33
Určení polohy těžiště Zatížení A vzadu Zatížení B vzadu 520mm y 1100mm x Zatížení A vpředu Zatížení B vpředu 34
Určení polohy těžiště LbA 520mm LbB souřadnice x 1100mm y x LfB + LbB LfA + LbA 2 2 souřadnice y : Load 520mm LfA LfB LbA + LbB LfA + LfB 2 2 : Load 1100mm 35
Určení polohy těžiště LbA 1100mm 520mm y x LbB souřadnice x LfB + LbB LfA + LbA Load Load souřadnice y 520mm 2 LfA LfB LbA + LbB LfA + LfB Load Load 1100mm 2 36
Připojení a konfigurace měřicího řetězce 37
Připojení a konfigurace měřicího řetězce Snímač Měřicí systém Visualizace Display, PC A D Měřicí kabel zesilovač A/D převodník 38
Připojení a konfigurace měřicího řetězce Napájení: 10-30 V Quantum MX840 Quantum MX840 FireWire tenzometr. ½ most Ethernet TCP/IP cross over Switch 4xsnímač zatížení HLC-C3/220kg 39
Připojení a konfigurace měřicího řetězce Požadované systémové informace: Snímač: Electrické parametry: typ mostu, citlivost, electrická nula Mechanické parametry: jednotky, měřicí rozsah Počítač: Která ústředna je připojena a ke kterému rozhraní? Jaké je nastavení rozhraní (např. adresa na sběrnici)? 40
Připojení a konfigurace měřicího řetězce Zesilovač: Kolik měřicích kanálů je potřeba / k dispozici? Nastavení: Které kanály jsou aktivní? Spouštěcí podmínky Paměť Nastavení měřicích míst Určení frekvenčního rozsahu měření Nulování Horní mezní frekvence Vzorkovací frekvence 41
Připojení a konfigurace měřicího řetězce Zpracování dat: Výpočty online? Vizualizace: Které kanály? Jaká grafika? 42
Nastavení měřicího řetězce Metody nastavení Ruční nastavení parametrů Použití databáze snímačů Automaticky pomocí TEDS 43
Nastavení měřicího řetězce Databáze snímačů Databáze obsahuje všechny snímače Jednotlivé snímače je možno přidat Nastavení na úrovni údajů ze štítku snímače Detailní technická znalost snímače není nutná 44
Připojení a konfigurace TEDS 45
Nastavení měřicího řetězce Senzor Zesilovač Měřicí systém A/D převodník Visualizace displej, PC A D Měřicí kabel 46
Nastavení měřicího řetězce TEDS Transducer Electronic Data Sheet (elektronická tabulka snímače) Konfigurace měřicího kanálu Připoj a měř Standard per IEEE 1451.4 Smart Sensor Specification 47
Nastavení měřicího řetězce Fixní informace (Basic TEDS) Výrobce: HBM Typ: U3 Výrobní č.: 08154711 Specifikace snímače Měřicí rozsah: Jmen. citlivost: 5kN 2mV/V Pevné Editovatelné Poznámky např. datum kalibrace, počet měřených bodů Volný text 48
Vzorkovací frekvence a filtry 49
Vzorkovací frekvence f a nebo rychlost vzorkování Vzorkovací teorém: minimálně 2 hodnoty / periodu Amplituda Čas 50
Vzorkovací frekvence f a nebo rychlost vzorkování Doporučení pro praxi: 10-12 hodnot / periodu Amplituda Čas 51
Zpracování signálu - Filtry Dolnopropustní filtr 52
Dolnopropustní filtr Utlumení frekvencí vyšších než mezní frekvence f g Potlačení mechanických nebo elektrických rušení Amplituda 100% f g Frekvence 53
Dolnopropustní filtry Amplitudová frekvenční charakteristika ukazuje strmost filtru Uout/Uin 1 Besselova dolní propust Uout/Uin 1 Butterworthova dolní propust 0.1 0.1 0.1e-1 0.1 1 0.1e2 0.1e3 ---> frekvence 0.1e-1 0.1 1 0.1e2 ---> frekvence 1. řád; 3.řád; 10. řád 0.1e3 54
Dolnopropustní filtr Phase shift 1. řád 2. řád 3. řád Při vícekanálovém měření vždy užijte pro všechny kanály stejné filtry! ϕ Amplituda Čas 55
Dolnopropustní filtry Odezva na jednotkový skok Besselova dolní propust Butterworthova dolní propust U Vstup Výstup U Vstup Výstup optimální odezva! t t 56
Dolnopropustní filtr Doba ustálení T E 1 2 f g Amplituda Doba ustálení T E Čas 57
Dolnopropustní filtr Kda a kdy je filtrace požadována? V měřicím zesilovači Online v měřicím programu Po měření v měřicím programu 58
Dolnopropustní filtr POZNÁMKY PRO PRAXI: Vzorkovací frekvence cca 10x vyšší, než nejvyšší frekvence měř. signálu Dolní propust na 10 až 15% vzorkovací frekvence 59
Angela Bäumel HBM Darmstadt Díky za pozornost