מדדי מתח הם מכשירים הממירים את העיוות האלסטי הנמדד של גוף מוצק לאות חשמלי. זה קורה עקב שינוי בהתנגדות של מוליך החיישן כאשר הממדים הגיאומטריים שלו משתנים ממתח או דחיסה.
מד מתח: עקרון הפעולה
האלמנט העיקרי של המכשיר הוא מד מתח המותקן על מבנה אלסטי. מדי מתח מכוילים על ידי העמסה שלבית בכוח גדל נתון ומדידת גודל ההתנגדות החשמלית. לאחר מכן, על ידי שינויו, ניתן יהיה לקבוע את ערכי העומס הלא ידוע המופעל ואת המתח היחסי אליו.
בהתאם לסוג החיישנים, ניתן למדוד:
- strength;
- pressure;
- move;
- torque;
- acceleration.
גם עם ערכת הטעינה המורכבת ביותר של המבנה, הפעולה נמשכתמד המתח מצטמצם למתיחה או דחיסה של הסריג שלו לאורך קטע ארוך שנקרא הבסיס.
באילו מדי מתח משתמשים
הסוגים הנפוצים ביותר של מדי מתח עם שינוי בהתנגדות הפעילה בפעולה מכנית - מדי מתח.
מדדי מתח של חוטים
הדוגמה הפשוטה ביותר היא חתיכה ישרה של חוט דק, שמחוברת לחלק הנבדק. ההתנגדות שלו היא: r=pL/s, כאשר p הוא ההתנגדות, L הוא האורך, s הוא שטח החתך.
יחד עם החלק, החוט המודבק מעוות בצורה אלסטית. במקביל, ממדיו הגיאומטריים משתנים. כאשר הוא דחוס, חתך הרוחב של המוליך גדל, וכשהוא נמתח, הוא יורד. לכן, השינוי בהתנגדות משנה סימן בהתאם לכיוון העיוות. המאפיין הוא ליניארי.
הרגישות הנמוכה של מד המתח הובילה לצורך להגדיל את אורך החוט באזור מדידה קטן. כדי לעשות זאת, הוא עשוי בצורה של ספירלה (סריג) של חוט, מודבק משני הצדדים עם לוחות בידוד מסרט של לכה או נייר. כדי להתחבר למעגל החשמלי, המכשיר מצויד בשני חוטי עופרת נחושת. הם מרותכים או מולחמים לקצוות החוט המפותל והם חזקים מספיק כדי להתחבר למעגל חשמלי. מד המתח מחובר לאלמנט האלסטי או לחלק הנבדק עם דבק.
לתאי עומס חוטי יש את היתרונות הבאים:
- עיצוב פשוט;
- תלות לינארית במתח;
- גודל קטן;
- מחיר נמוך.
החסרונות כוללים רגישות נמוכה, השפעה של טמפרטורת הסביבה, צורך בהגנה מפני לחות, שימוש רק באזור של עיוותים אלסטיים.
החוט יתעוות כאשר כוח ההדבקה של הדבק אליו עולה בהרבה על הכוח הנדרש כדי למתוח אותו. היחס בין משטח ההדבקה לשטח החתך צריך להיות 160 עד 200, המתאים לקוטר של 0.02-0.025 מ"מ. ניתן להגדיל אותו עד 0.05 מ"מ. לאחר מכן, במהלך פעולה רגילה של מד המתח, שכבת הדבק לא תיהרס. בנוסף, החיישן עובד היטב בדחיסה, מאחר שגדילי החוט הם חלק מהסרט ההדבקה והחלק.
תאי עומס של נייר כסף
הפרמטרים ועיקרון הפעולה של תא העומס בנייר כסף זהים לאלו של החוטים. החומר היחיד הוא רדיד ניכרום, קבוע או טיטניום-אלומיניום. טכנולוגיית ייצור הפוטוליתוגרפיה מאפשרת קבלת תצורת סריג מורכבת ואוטומציה של התהליך.
בהשוואה למדדי מתח תיל, מדי מתיחה של נייר כסף הם רגישים יותר, נושאים יותר זרם, משדרים מתח טוב יותר, בעלי מובילים חזקים יותר ותבנית מורכבת יותר.
תאי עומס מוליכים למחצה
רגישות החיישנים גבוהה פי 100 בערך מאלה החוטים, מה שמאפשר שימוש תכוף בהם ללא מגברים. החסרונות הם שבירות, תלות גבוהה בטמפרטורת הסביבה ומשמעותיתהתפשטות פרמטרים.
מפרטי מד מתח
- Base - אורך מוליך הרשת (0.2-150 מ"מ).
- התנגדות נומינלית R - ערך התנגדות פעילה (10-1000 אוהם).
- זרם אספקת עבודה Ip - זרם שבו מד המתח לא מתחמם באופן ניכר. כאשר מתחמם יתר על המידה, התכונות של החומרים של אלמנט החישה, הבסיס ושכבת הדבק משתנות, ומעוותות את הקריאות.
- גורם מתח: s=(∆R/R)/(∆L/L), כאשר R ו-L הם ההתנגדות החשמלית ואורך החיישן ללא עומס, בהתאמה; ∆R ו-∆L - שינוי בהתנגדות ועיוות מכוח חיצוני. עבור חומרים שונים, זה יכול להיות חיובי (R עולה עם המתח) ושלילי (R עולה עם דחיסה). הערך של s עבור מתכות שונות משתנה בין -12.6 ל-+6.
סכימות להפעלת מדי מתח
כדי למדוד אותות חשמליים קטנים, האפשרות הטובה ביותר היא חיבור גשר, שבמרכזו מד מתח. הדוגמה הפשוטה ביותר תהיה מד מתח, שהמעגל שלו מורכב על פי העיקרון של גשר חשמלי, באחת מזרועותיו הוא מחובר. ההתנגדות הפרוקה שלו תהיה זהה לשאר הנגדים. במקרה זה, המכשיר יציג מתח אפס.
עקרון הפעולה של מד מתח הוא להגדיל או להקטין את ערך ההתנגדות שלו, תלוי אם הכוחות הם דחיסה או מתיחה.
לטמפרטורה של מד המתח יש השפעה משמעותית על דיוק הקריאות. אם תכלול התנגדות מתח דומה בזרוע השנייה של הגשר, שלא תועמס, היא תבצע את הפונקציה של פיצוי על השפעות תרמיות.
על מעגל המדידה לקחת בחשבון גם את ערכי ההתנגדות החשמלית של החוטים המחוברים לנגד. השפעתם מצטמצמת על ידי הוספת חוט נוסף המחובר לאחד הפינים של מד המתח ומד המתח.
אם שני החיישנים מודבקים על האלמנט האלסטי בצורה כזו שהעומסים שלהם שונים בסימן, האות יוגבר פי 2. אם ישנם ארבעה חיישנים במעגל עם עומסים המצוינים על ידי חיצים בתרשים למעלה, הרגישות תגדל באופן משמעותי. עם חיבור זה של מדי מתח תיל או נייר כסף, מיקרו-אמפר רגיל ייתן קריאות ללא מגבר אותות חשמלי. חשוב לבחור במדויק את ערכי ההתנגדות באמצעות מולטימטר כך שהם יהיו שווים זה לזה בכל זרוע של הגשר החשמלי.
יישום מדי מתח בהנדסה
- חלק מהעיצוב של המאזניים: בעת השקילה, גוף החיישן מעוות בצורה אלסטית, ואיתו מדי המתח המודבקים אליו, מחוברים במעגל. האות החשמלי מועבר למונה.
- ניטור מצב המתח-מתח של מבני בנייה ומבנים הנדסיים בתהליך הבנייה והתפעול שלהם.
- מדדי מתח למדידת כוחות דפורמציה במהלך עיבוד שבבילחץ מתכת במפעלי גלגול ומכבשי הטבעה.
- חיישני טמפרטורה גבוהה לתעשיות פלדה ותעשיות אחרות.
- חיישני מדידה עם אלמנט אלסטי מנירוסטה לפעולה בסביבות אגרסיביות מבחינה כימית.
מדדי מתח סטנדרטיים עשויים בצורת דסקיות, עמודים, קורות פשוטות או דו-צדדיות, בצורת S. עבור כל המבנים, חשוב שהכוח יופעל בכיוון אחד: מלמעלה למטה או להיפך. בתנאי הפעלה קשים, עיצובים מיוחדים מאפשרים לחסל את פעולתם של כוחות טפיליים. המחירים שלהם תלויים במידה רבה בזה.
עבור מדי מתח, המחיר נע בין מאות רובל למאות אלפים. הרבה תלוי ביצרן, עיצוב, חומרים, טכנולוגיית ייצור, ערכי הפרמטרים הנמדדים, ציוד אלקטרוני נוסף. לרוב, הם מרכיבים מסוגים שונים של סולמות.
מסקנה
עקרון הפעולה של כל מדי המתח מבוסס על הפיכת העיוות של האלמנט האלסטי לאות חשמלי. למטרות שונות, ישנם עיצובים שונים של חיישנים. בעת בחירת מדי מתח, חשוב לקבוע אם למעגלים יש פיצוי על עיוות קריאות טמפרטורה והשפעות מכניות טפיליות.
