СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСШИРЕНИЯ ОБЪЕКТА С ПОМОЩЬЮ ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА, А ТАКЖЕ ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК G01N3/00 G01N7/16 

Изобретение относится к способу определения расширения объекта с помощью тензометрического датчика, а также к тензометрическому датчику для осуществления способа.

Тензометры упомянутого вида имеют обычно два практически прямых плеча, которые соответственно одним концом подключены к шарниру и являются подвижными в плоскости раздвижения и которые другим концом соединяются с объектом. При этом плоскость раздвижения в основном проходит вертикально к поверхности объекта между другими концами плечей, то есть между местами соединения плечей с объектом; тензометрический датчик таким образом "стоит" на поверхности по типу лестницы-стремянки.

Такие тензометрические датчики и способ их применения известны из охранных документов DE 3239877 A1 и DE 3410840 A1. Способы или соответственно принципы действия тензометрических датчиков основаны на том, что оба плеча тензометрического датчика своими свободными концами закреплены на удаленных друг от друга в направлении подлежащего определению расширения местах контролируемого объекта и при появлении расширения раздвигаются. На своих других концах плечи соединены друг с другом через шарнир. За счет раздвижения плечей изменяется, например, расстояние между двумя конденсаторными пластинами, каждая из которых закреплена на одном из плечей, и таким образом изменяется емкость образованного конденсаторными пластинами конденсаторного устройства, причем изменение емкости стоит в жесткой зависимости от раэдвижения плечей и таким образом в жесткой зависимости от расширения.

Известные тензометрические датчики допускают лишь определение расширений, которые лежат в диапазоне нескольких десятых миллиметра, и предполагают далее, что оба места крепления плечей при появлении расширения в основном удаляются друг от друга только прямолинейно. Взаимное скручивание плечей. как это часто случается при нагрузке механически разрушающихся образцов обычного вида, является не возможным или соответственно приводит к мешающим скручивающим нагрузкам тензометрического датчика. Кроме того, из-за толщины обычных конденсаторных пластин минимальное расстояние между плечами составляет многие миллиметры; это может быть неблагоприятным, если должно производиться определение расширений между двумя точками, которые вначале лежат рядом друг с другом, например, с двух сторон трещины, скорость расширения которой должна исследоваться.

Из публикации DE 880339 U1 известен датчик перемещений, с двумя располагаемыми на образце материала плечами, которые на своих свободных концах имеют съемные элементы, которыми датчик перемещений фиксируется на образце материала. С помощью, по меньшей мере, одной закрепленной на образце материала тензометрической полоски определяется измеренная величина, пропорциональная изменению перемещения. Плечи датчика перемещений состоят из пружинноупругой стали. Они закреплены на образце материала таким образом, что раздвижение происходит в области раэдвижения, параллельной поверхности образца материала.

Известен способ определения расширения объекта с помощью тензометрического датчика с двумя плечами, соединенными одними концами с шарниром, заключающийся в наложении тензометрического датчика на объект для раздвижения его плеч при расширении объекта, измерении раздвижения плеч и определении расширения объекта по раздвижению плеч (ЕР 0.088.278, кл. C 01 B 7/22, 1983 г).

Известен также тензометрический датчик для определения расширения объекта, содержащий два плеча, соединенные одними концами с шарниром и измерительное устройство, закрепленное на плечах (ЕР 0088278, кл. C 01 B 7/22, 1983).

Недостатком известных способа определения расширения объекта и тензометрического датчика для его осуществления является то, что не всегда могут достигаться хорошие результаты в том случае, когда точки крепления плечей тензометрического датчика удалены друг от друга не только прямолинейно, что объясняется конструктивным расположением деталей тензометрического датчика.

Задача настоящего изобретения состоит в создании способа определения расширения объекта и тензометрического датчика, которые дают хорошие результаты также тогда, когда точки крепления плечей тензометрического датчика удалены друг от друга не только прямолинейно. Определение расширения объекта также должно быть возможным и тогда, когда объект, например, в рамках испытаний на длительную прочность нагревают до высоких температур, например, до 700^oC.

Для решения этой задачи в способе определения расширения объекта с помощью тензометрического датчика с двумя плечами, соединенными одними концами с шарниром, заключающемся в наложении тензометрического датчика на объект для раздвижения его плеч при расширении объекта, измерении раздвижения плеч и определении расширения объекта по раздвижению плеч, снабженный опорными накладками плеч тензометрический датчик налагают на объект, устанавливая на объекте опорные накладки плеч, расположенные в плоскости раздвижения плеч, практически параллельной поверхности объекта между обращенными к объекту концами плеч, а область каждой опорной накладки, выступающую за обращенный к объекту конец соответствующего плеча, крепят на объекте.

Согласно изобретению тензометр для определения расширения объекта устанавливают на объект не по типу лестницы-стремянки, так что плоскость раздвижения ориентирована практически вертикально относительно поверхности объекта между закрепленными на объекте концами плечей, а накладывают тензометрический датчик на объект так, что плоскость раздвижения расположена практически параллельно к поверхности объекта между другими концами плечей. Это расположение тензометрического датчика имеет, в частности, то преимущество, что дополнительно к движению мест соединения относительно друг друга в направлении расширения, возможны также движения перпендикулярно к направлению расширения; эти движения больше не приводят к скручиванию тензометрического датчика, как это известно из уровня техники, а лишь к незначительному повороту тензометрического датчика без скручивания. На определение расширения такие повороты почти не влияют, во всяком случае тогда, когда эти повороты остаются в определенной мере ограниченными. Способ поэтому является применимым во многих случаях, когда способ по уровню техники вследствие скручивания тензометрического датчика больше не может использоваться. Кроме того, для осуществления способа плечи тензометрического датчика могут удлиняться почти произвольно, за счет чего можно в широких пределах изменять зависимость раздвижения плечей от подлежащего определению растяжения; в частности для всех видов введенных между плечами измерительных устройств, в частности, для емкостного измерительного устройства, путем вариации зависимости раздвижения от растяжения зависимость полученных измерительным устройством измерительных сигналов от расширения может стать существенно лучше, чем до сих пор, согласовываться с требованиями соответствующего частного случая. В частности, для измерительного устройства в виде конденсаторного устройства путем изменения длины плечей может быть достигнуто то, что измеренная в качестве меры расширения емкость конденсаторного устройства в значительной степени линейно зависит от подлежащего определению расширения. Кроме того существует возможность в широких пределах варьировать расстояние между местами соединения плечей с объектом и, в частности, делать его очень малым, так что можно легко определять расширение на механически разрушающемся образце, причем конечно согласно стандарту следует поддерживать между местами соединения расстояние порядка 5 мм. Способ является особенно пригодным для применения на объектах, которые нагреваются до высоких температур, так как тензометрический датчик располагается непосредственно по соседству с объектом и поэтому не может подвергаться отрицательному воздействию температурных градиентов с результирующимися из них механическими напряжениями.

Каждую опорную накладку соединяют, предпочтительно, сваривают с объектом в основном в точечном месте соединения, специально точечной сваркой. Такие места соединения допускают простым образом известное вращение тензометрического датчика в плоскости раздвижения, чтобы скомпенсировать, например, смещения мест соединения вертикально к направлению вращения. Желаемое определение растяжения за счет этого может производиться особенно точно. Неожиданным образом оказалось, что точечная сварка является особенно пригодной для восприятия сил и моментов, которые появляются в местах соединения между плечами и объектом и, в частности, допускают небольшие повороты, требующиеся для компенсации движений, перпендикулярных к направлению растяжения.

Особенно выгодным является определять растяжение объекта таким образом, что измеряют раздвижение плечей закрепленным на плечах конденсаторным устройством. Как уже упоминалось, конструктивная свобода способа позволяет простым образом производить согласование тензометрического датчика с требованиями конденсаторного устройства и позволяет, в частности, реализовать в основном линейную зависимость между емкостью конденсаторного устройства и расширением.

Для решения указанной задачи тензометрический датчик для определения расширения объекта, содержащий два плеча, соединенные одними концами с шарниром и измерительное устройство, закрепленное на плечах, снабжен опорными накладками для установки на объект, каждая из которых закреплена на продольном, обращенном к объекту крае соответствующего плеча, расположена в плоскости раздвижения плеч и имеет область для крепления на объекте, выступающую за другой конец плеча.

На таких опорных накладках тензометрический датчик может устанавливаться на исследуемый объект и закрепляться на этом объекте. Каждая опорная накладка образует выгодным образом опору для плеча, к которому она относится, однако предпочтительно не выступает в направлении к другому плечу под плечо, на котором она закреплена. Предпочтительно направленный соответственно к другому плечу внутренний край каждой опорной накладки расположен таким образом, что она упирается в продольный край плеча, на котором она закреплена. Каждая опорная накладка выступает за конец плеча, на котором она закреплена, за счет чего имеется простая возможность для образования жесткого соединения между плечом и объектом.

Выгодным является также, если плечи в ненагруженном состоянии расположены, по меньше мере, приблизительно параллельно друг другу; это, в частности, облегчает юстировку измерительных устройств, которые расположены для измерения расширения между плечами.

Шарнир между ветвями тензометрического датчика является целесообразным образом гибкой опорой, за счет чего получается особенно высокая подвижность плечей при малых пружинящих силах между плечами при раздвижении.

Для измерения раздвижения или соответственно расширения на плечах особенно предпочтительно закреплено конденсаторное устройство, которое имеет емкость, зависящую от раэдвижения плечей. Преимущества конденсаторного устройства уже были подробно пояснены. Предпочтительно к каждому плечу прикреплена относящаяся к конденсаторному устройству конденсаторная пластина, и конденсаторные пластины с особым преимуществом расположены практически параллельно друг к другу. Таким образом, емкость конденсаторного устройства непосредственно определяется расстоянием между конденсаторными пластинами, откуда получается простая зависимость между раздвижением и емкостью.

Пример выполнения изобретения представлен на чертеже, на котором показано:
фиг. 1 - тензометрический датчик на контролируемой трещине;
фиг. 2 - поперечное сечение через тензометрический датчик по линии II-II фиг. 3; и
фиг. 3 - вид сбоку тензометрического датчика соответственно линии III-III фиг. 2.

Тензометрический датчик согласно фигурам 1-3 состоит из двух расположенных в не нагруженном состоянии, по меньшей мере приблизительно параллельно друг к другу плечей 3, между которыми на заднем конце плеча 3 расположены две круглые конденсаторные пластины 1, 2. Эти конденсаторные пластины 1, 2 закреплены на стороне конца на металлических осях 20 и поддерживаются различными в диаметре, чтобы исключить ошибки измерения вследствие параллельных сдвигов относительно друг друга. Конденсаторные пластины 1, 2 изолированы от плечей 3 с помощью изолирующих деталей, специально с помощью подложенных керамических колец 4. Также на обращенных от конденсаторных пластин 1, 2 сторонах плечей 3 находятся такие кольца 4. Конденсаторные пластины 1, 2 зафиксированы с помощью винтовых пружин 5, которые опираются на пружинные пластины 6. Плечи 3 на своих задних концах соединены друг с другом с помощью гибкой опоры 7, выполняющей функцию шарнира. Далее, каждая из них снабжена расположенной к ним под прямым углом опорной накладкой 8. Опорные накладки 8 выполнены в форме трапеции. Они сужаются назад. Внутренние края опорных накладок (8) упираются при этом в нижние продольные края плечей 3. Каждая опорная накладка 8 закреплена при этом на соответствующем плече 3. Альтернативно плечи 3 и соответствующие опорные накладки 8 могут также состоять из одной единственной уголковой детали, предпочтительно из металла. Опорные накладки 8 выходят за передние концы плечей 3. Только на одном из плечей 3 сверху закреплен под прямым углом направляющий лист 9, чтобы предотвратить взаимное перекашивание плечей 3; направляющий лист 9 может также иметь экранирующие функции для образованного из конденсаторных пластин 1, 2 конденсаторного устройства. Через выводы или провода 10 оси 20 и тем самым конденсаторные пластины 1, 2 соединены с не показанным на чертеже измерительно-индикаторным прибором, с помощью которого может измеряться емкость конденсаторного устройства 1, 2, что в результате дает указание на расстояние конденсаторных пластин 1, 2 друг от друга и таким образом на степень раздвижения плечей 3.

С помощью одной сварной точки 11 соответственно передние концы опорных накладок 8 закреплены на объекте 12, например, трубе, расширение которой должно измеряться или контролироваться в направлении показанных стрелок 15. Это расширение может быть относительно большим. Оно может составлять многие миллиметры, что имеет особое значение, если, как представлено, в объекте 12 образовалась трещина 13, которая расширяется дальше под нагрузкой (не показано) и при этом должна контролироваться тензометрическим датчиком. Сварные точки 11 расположены таким образом, что трещина 13 находится между передними концами опорных накладок 8. На каждой стороне трещины 13 закреплено соответственно по одному плечу 3. Конструкция позволяет подступать со сварными точками 11 очень близко к трещине 13. Расстояние A между обоими сварными точками 11 должно составлять только несколько миллиметров, например, порядка 5 мм. Вследствие длины плечей 3 надежно индицируется уже незначительное расширение трещины 13. При таком расширении трещины 13 передние концы плечей 3 удаляются друг от друга. В результате получается раздвижение плечей 3, причем задние концы плечей 3 удерживаются неподвижными с помощью накладки 7. Раздвижение плечей 3 происходит в плоскости раэдвижения, которая ориентирована практически параллельно к поверхности объекта 12 между сварными точками 11. Тензометрический датчик таким образом расположен на поверхности объекта 12.

Из фиг. 1 видно, что плечи 3 и опорные накладки 8 могут быть относительно длинными. Конденсаторные пластины 1, 2 могут в принципе быть расположены в любом положении между плечами 3, причем выбор положения может производиться по различным критериям. Тензометрический датчик, в частности, является пригодным для высоких температур, которые возникают, например, на трубопроводах для горячих текучих сред в электростанциях. С подходящими материалами без каких-то проблем возможно применение до 700^oC.

Изобретение относится к области измерительной техники и заключается в определении расширения объекта посредством тензометрического датчика. Тензометрический датчик имеет два плеча, одними концами соединенные с шарниром. Для обеспечения технического результата, заключающегося в обеспечении точности определения расширения объекта при его нагреве и при расположении плеч не только параллельно, плечи имеют накладки, расположенные в плоскости раздвижения плеч, параллельной поверхности объекта между обращенными к объекту концами плеч. Область каждой опорной накладки, выступающую за обращенный к объекту конец соответствующего плеча, крепят на объекте и определяют его расширение по раздвижению плеч. 8 качестве измерительного устройства тензометрического датчика может быть использовано конденсаторное устройство, пластины которого расположены практически параллельно друг другу. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения расширения объекта с помощью тензометрического датчика с двумя плечами, соединенными одними концами с шарниром, заключающийся в наложении тензометрического датчика на объект для раздвижения его плеч при расширении объекта, измерении раздвижения плеч и определении расширения объекта по раздвижению плеч, отличающийся тем, что тензометрический датчик имеет опорные накладки плеч и его налагают на объект, устанавливая на объекте опорные накладки плеч, расположенные в плоскости раздвижения плеч, практически параллельной поверхности объекта между обращенными к объекту концами плеч, а область каждой опорной накладки, выступающую за обращенный к объекту конец соответствующего плеча, крепят на объекте. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что каждую опорную накладку соединяют, предпочтительно сваривают с объектом в основном точечном месте соединения. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что каждую опорную накладку соединяют с объектом точечной сваркой. 4. Способ по п.1 или 2, или 3, отличающийся тем, что в качестве измерительного устройства тензометрического датчика используют конденсаторное устройство для измерения раздвижения плеч. 5. Тензометрический датчик для определения расширения объекта, содержащий два плеча, соединенные одними концами с шарниром, и измерительное устройство, закрепленное на плечах, отличающийся тем, что он снабжен опорными накладками для установки на объект, каждая из которых закреплена на продольном, обращенном к объекту, крае соответствующего плеча, расположена в плоскости раздвижения плеч и имеет область для крепления на объекте, выступающую за конец плеча, обращенный к объекту. 6. Тензометрический датчик по п.5, отличающийся тем, что край каждой обращенной к соответствующему плечу опорной накладки уперт в продольный край плеча, на котором она закреплена. 7. Тензометрический датчик по п.5 или 6, отличающийся тем, что плечи в ненагруженном состоянии расположены по меньшей мере практически параллельно друг к другу. 8. Тензометрический датчик по п.5, или 6, или 7, отличающийся тем, что шарниром является гибкая опора. 9. Тензометрический датчик по п.5, или 6, или 7, или 8, отличающийся тем, что в качестве измерительного устройства используют конденсаторное устройство. 10. Тензометрический датчик по п.9, отличающийся тем, что конденсаторные пластины расположены практически параллельно друг другу.