Pomiary naprężeń i przepływu Przygotował : Michał Chmieliński

Naprężenie Naprężenie jest to miara gęstości powierzchniowej sił wewnętrznych, które występują w ośrodku ciągłym. Jest podstawową wielkością mechaniki ośrodków ciągłych. Jego jednostką jest paskal

Do pomiaru naprężeń stosuje się tensometry Tensometr jest to czujnik zmieniający swoją rezystancję pod wpływem zmian swoich wymiarów. Wykorzystywane są one do zamiany wielkości nieelektrycznych np. siły na wielkość elektryczną np. rezystancję.

Pomiary tensometryczne Tensometria zajmuje się metodami odkształceń ciał stałych. W praktyce laboratoryjnej pomiary odkształceń ogranicza się najczęściej do mierzenia wydłużeń na powierzchni ciała. Wynika to bezpośrednio z charakteru przyrządów pomiarowych jak również faktu, że naprężenia występują głównie na powierzchni ciała. Pomiary odkształceń wewnątrz ciała, wykonuje się bardzo rzadko, ze względu na jego kłopotliwość. Zasad pomiaru odkształceń liniowych Na powierzchni badanego elementu wybiera się odcinek pomiarowy o długości l ( baza pomiarowa ). Za pomocą tensometru dokonuje się pomiaru całkowitego wydłużenia Delta l, jakie miało miejsce po przyłożeniu obciążenia. Wartość odkształcenia wyznaczonego za pomocą takiego pomiaru wyniesie: Eśr=Delta l/l Jest to wartość teoretyczna, tylko w przypadku jednorodnego stanu odkształcenia. W pozostałych przypadkach stanowi wartość odkształcenia uśrednioną na długości bazy. O zastosowaniu odpowiedniego typu tensometru decydują warunki i wymagania pomiaru związane z materiałem, kształtem elementu konstrukcyjnego, rodzajem obciążenia, temperaturą itd.

Ze względu na budowę tensometry dzielimy na : wężykowe, zygzakowe, kratowe, foliowe, półprzewodnikowe.

Tensometr wężykowy Jest to drucik rezystancyjny o średnicy 0.02 - 0.05 mm uformowany w kształcie wielokrotnego wężyka. Jest on przyklejony do podkładki nośnej (2) wykonanej zazwyczaj z cienkiego papieru lub folii. Dwa przewody (4) doprowadzają prąd elektryczny. Są one przylutowane do końca drutu oporowego. Przed uszkodzeniami mechanicznymi, drut oporowy chroniony jest warstwą papieru zwaną nakładką (3). Tak przygotowany tensometr przykleja się na powierzchnię badanego elementu stosując specjalny klej.

Tensometr kratowy Wyróżniają się one brakiem czułości w kierunku prostopadłym do drutu rezystancyjnego. Składają się one z szeregu drucików ułożonych równolegle i połączonych nalutowanymi lub naspawanymi znacznie grubszymi odcinkami taśmy miedzianej (5). Odpowiednie przecięcia taśmy powodują powstawanie obwodu elektrycznego. Siatka oporowa jest naklejona na podkładkę nośną (2) i chroniona od góry nakładką (3).

Tensometry foliowe Najczęściej stosowane ze względu na swoje zalety. Składają się one z siatki rezystancyjnej (1) w postaci wężykowej wykonanej z cienkiej folii metalowej sklejonej klejem z podkładką nośną (2). Część pomiarowa wężyka pokryta jest nakładką ochronną (3) wykonaną podobnie jak podkładka nośna z folii z tworzywa sztucznego. Do zakończeń (4) dołącza się przewody elektryczne. Siatkę rezystancyjną podobnie jak obwody drukowane otrzymuje się metodą fotochemiczną bezpośrednio po naklejeniu folii na podkładkę nośną. Podobnie jak w tensometrach wężykowych sposób mocowania tensometru foliowego do powierzchni badanego przedmiotu odbywa się za pomocą odpowiedniego kleju.

Układy pomiarowe Układy pracy mostków tensometrycznych: z jednym tensometrem (układ ćwierć mostka) Układ praktycznie nie stosowany, gdyż charakteryzuje się najniższą czułością względną (S=0,25), dużą nieliniowością charakterystyki przetwarzania i brakiem kompensacji wpływu temperatury na rezystancję tensometru.

z dwoma tensometrami (układ pół mostka) : Występujące w nim tensometry charakteryzują się tym, że na każdy z nich działają naprężenia o przeciwnych kierunkach ( np.. ściskanie i rozciąganie). Układ ten charakteryzuje się dwukrotnie większą czułością względną (S=0.5), mniejszą nieliniowością oraz kompensacją wpływu temperatury na rezystancję tensometru.

z czterema tensometrami (układ pełnego mostka): Występują w nim dwa tensometry o dodatnim kierunku zmian rezystancji i dwa o ujemnym kierunku zmian rezystancji. Układ ten charakteryzuje się największą wartością czułości względnej (S=1) oraz kompensacją wpływu temperatury na rezystancję tensometru.

Przepływ Przepływ jest to ilość płynu, przepływającego w jednostce czasu przez dany przekrój poprzeczny. Wyrażany jest w m3/s lub m3/h. Do pomiaru przepływu wykorzystuje się przepływomierze: są to przyrządy służące do pomiaru objętości lub masy materii poruszającej się daną powierzchnią prostopadłą w kierunku przepływu.Większość przepływomierzy wykorzystuje się do pomiaru, cieczy mniej do pomiary gazów. Ze względu na pomiar chwilowy przepływomierzy konieczne jest zintegrowanie ich z licznikami. Całkowita objętość materii uzyskiwana jest na drodze całkowania w czasie wartości natężenia przepływu w kolejnych chwilach.

Najczęściej spotykane przepływomierze to : Przepływomierze indukcyjne, Przepływomierze ultradźwiękowe, Przepływomierze kalorymetryczne.

Przepływomierz indukcyjny. Izolowany elektrycznie odcinek rury przez który płynie ciecz przewodząca, znajduje się w polu magnetycznym prostopadłym do osi rury. Wewnątrz, na obwodzie rury, na linii prostopadłej do kierunku pola magnetycznego, znajdują się dwie elektrody. Przepływ cieczy powoduje powstanie napięcia na elektrodach. 1-izolowany odcinek rury, 2-elektromagnes wzbudzający, 3-elektrody, 4-elektroniczny układ pomiarowy.

Zastosowanie przepływomierzy indukcyjnych: ciecze o nieokreślonej konsystencji, silnie zanieczyszczone, dowolna lepkość i gęstość, mieszaniny ciecz-ciało stałe np. woda z piaskiem.

Przepływomierz ultradźwiękowy Zasada działania przepływomierza ultradźwiękowego bazuje na pomiarze różnicy czasów przejścia fali ultradźwiękowej. Fala emitowana jest naprzemiennie między dwoma czujnikami pomiarowymi, które zamontowane są na rurociągu. W przypadku braku przepływu czasy przejścia fali w obu kierunkach są jednakowe. Gdy fala rozchodzi się przeciwnie do kierunku płynącej cieczy, prędkość propagacji jest mniejsza niż w kierunku zgodnym z ruchem cieczy.  

Do pomiaru prędkości przepływu w przepływomierzach ultradźwiękowych wykorzystuje się wzór: V = (T2-T1)/T1*T2 * L/2* cosα gdzie: V– prędkość cieczy, T1 – czas przejścia fali ultradźwiękowej zgodnie z kierunkiem przepływu, T2 – czasy przejścia fali ultradźwiękowej w kierunku przeciwnym do kierunku przepływu, L – odległość pomiędzy czujnikami, a – kąt nachylenia czujników do kierunku przepływu cieczy (zazwyczaj 30 - 45°).

Zalety przepływomierzy ultradźwiękowych: bezkontaktowy pomiar wewnętrzny, możliwość bezpośredniego montażu na istniejącej instalacji, pomiar nie wprowadza spadku ciśnienia, brak części ruchomych (wysoka trwałość).

Przepływomierz kalorymetryczny W przepływomierzu kalorymetrycznym wykorzystuje się zależność rozkładu temperatur w rurociągu od strumienia przepływu. Grzejnik umieszczony w przewodzie ogrzewa przepływający przez nią czynnik. Dwa termoelementy, z których jeden znajduje się przed grzejnikiem, a drugi za nim, mierzą różnice temperatur przed i za grzejnikiem. Przy stałej mocy grzejnika różnica ta zależy od prędkości przepływu w rurociągu. 1-grzejnik 2-termoelementy