Патент на изобретение №2393425

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ДЕФОРМАЦИИ ДЕТАЛИ

(57) Реферат:

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 R_t на каждом тензорезисторе по формуле вычисляют изменение сопротивления R_t, соответствующее температуре t, и R, соответствующее деформации . И затем определяют температуру t детали и величину деформации детали 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 , измеряют при этом изменение сопротивления R_t 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 R_t на каждом тензорезисторе вычисляют изменение сопротивления R_t, соответствующее температуре t, и R, соответствующее деформации , по формулам:

где – изменение сопротивления, измеренного при температуре t и деформации на тензорезисторе, для которого определяют R_t и R;

– изменение сопротивления, измеренного при температуре t и деформации на другом тензорезисторе.

Затем по полученным зависимостям изменений сопротивлений тензорезисторов от температуры и от деформации детали определяют температуру t детали и величину деформации детали 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 , при этом измеряют R_t – изменение сопротивления каждого тензорезистора.

Вычисляют изменение сопротивления R_t, соответствующее температуре t, и R, соответствующее деформации , по формулам:

где – изменение сопротивления, измеренного при температуре t и деформации на тензорезисторе, для которого определяют R_t и R;

– изменение сопротивления, измеренного при температуре t и деформации 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 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 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 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 .

Таблица 1
Измеряемая величина	Деформация, ·104
130	260	390
R1·104	260	520	780
R2·104	-55	-115	-180
m=R2/Rl	-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
Rt·104	–	70	120	170	230	320

После этого деталь 3 (фиг.1) подвергается одновременному воздействию температуры t и воздействию деформации . При этом проводится измерение сопротивлений тензорезисторов 1 и 2 (фиг.1). Для проверки работоспособности способа значения температуры t и деформации заранее известны. Результаты измерения представлены в таблице 3.

Таблица 3
Деформация, ·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 :

По графику зависимости (фиг.2) сопротивления тензорезистора 1 (фиг.1) находим =403·10^-4 (фактическая =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 =390·10^-4 и получены результаты, представленные в таблице 4.

Таблица 4
Деформация, ·104	Температура, t, °C	Измеренная деформация, ·104	Погрешность, ·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	tср.=0,5	ср.=6,3
tcp., °С	0,6	1,5	1,5	-1,4	1,7	-1,0

Таким образом, средняя абсолютная погрешность измерения температуры _tср.=0,5°С и деформации _ср.=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.

Формула изобретения

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 , измеряют при этом изменение сопротивления R_t 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 R_t на каждом тензорезисторе вычисляют изменения сопротивления R_t, соответствующее температуре t, и R, соответствующее деформации , по формулам:
и R=R_t–R_t,
или и R_t=R_t–R,
где – изменение сопротивления, измеренного при температуре t и деформации на тензорезисторе, для которого определяют R_t и R;
– изменение сопротивления, измеренного при температуре t и деформации на другом тензорезисторе;
затем по полученным зависимостям изменений сопротивлений тензорезисторов от температуры и от деформации детали определяют температуру t детали и величину деформации детали в месте установки тензорезисторов.

РИСУНКИ