Каждому велосипедисту - по тензометру!

В предыдущей статье «Колесный стенд» я закончил на оптимистической ноте: "маленький прибор". Но Лень и божий дар музыкального слуха свели на нет весь энтузиазм. Я бренчал по спицам пальцами и это удовлетворяло почти все мои потребности. Кроме одной - хотелось приключений.

И вот, дни мелькают как спицы в колесе, "маленький карманный стенд" не разбирался почти год, в очереди на него 12 колес и я все еще мечтаю о "маленький приборе". Недавно в небольшой местной лавке я заметил электронные весы что в народе просто называют "безмен" и вспомнил свою статью на ХТ, и мысль которая тогда мелькнула в голове: "... купить электронные весы, разобрать на кусочки и с тех кусочков собрать электронный тензометр".

А че? Тензометры в своем большинстве - это пружинные весы по своей сути и замена одной вещи на другую, аналогичную, не должна быть невыполнимой. Особенно когда цена вопроса 60 гривен.

Сатана, моей рукой, достал из кармана кошелек и я мгновенно оказался среди счастливых обладателей этого китайского чуда:   

А еще через мгновение оказался дома у "операционного стола", все ящички которого набиты различными инструментами. И препарация началась.

Что там внутри?

Выяснилось, что внутри прибора имеется датчик напряжения, сигнал в виде изменения тока которого высчисляется электронной схемой и высвечивается на дисплее в виде веса. Вес не должен быть больше 50 кг, дискретнисть равна 10 гр. То есть на дисплее четыре цифры: две из них килограммы а другие две - сотни и десятки граммов.Точность измерения составляет:

Для работы прибора датчик надо растягивать, он работает как динамометр, поэтому принцип описаный формулой приведенной ниже нам подошел идеально.

Ссылка на формулу

Но есть одно принципиальное отличие. Если спицу отклонять на постоянную величину то мы избавимся синуса в формуле потому, что он станет константой и график напряжения станет линейным.   

Согласно приведенной формулы, если прогнуть спицу на 2 мм между двумя опорами, расстояние между которыми составляет 80 мм, то динамометр покажет силу в десять раз меньше чем напряжение спицы.

Так это же замечательно! Мы получили некий "редуктор" напряжения спицы. Надо только обеспечить постоянство прогиба. Таким образом наш "безмен", при спице натянутой в 100 кг покажет на дисплее 1000. Последняя цифра - это сотни граммов. Сам "безмен", исходя из таблицы, имеет погрешность в данном диапазоне один процент. Это неплохая точность измерения. Точность можно увеличить если калибровать прибор на образцовых 100 кг сводя погрешность на ноль. Имеется в виду настройка механизма таким образом, чтобы при напряжении спицы в 100 кг прибор показывал ровно 1000. Так получим в районе 100 кг минимальную погрешность.

План действий.

Во-первых нужно изготовить новый, прочный корпус. Все упругие деформации механизмов прибора негативно влияют на точность работы. Расчеты показывают, что, деформация которая ухудшила точность прогиба спицы на 0,1 мм добавляет погрешность в 250 гр. По сопромату знаем, что меньше деформируются детали работающие на сжатие и я склоняюсь к такой конструкции корпуса которая сжимается при работе прибора. Сам датчик требует растяжения для работы и его можно разместить симметрично внутри корпуса прибора чтобы достичь равномерной нагрузки и предотвращения деформации изгиба, которая является самой нежелательной.

Эта конструкция мне представляется такой: две прямоугольные металлические пластины соединяются между собой винтами на уголках. Между пластинами на винты одеваются металлические трубочки. Получаем две параллельные пластины на расстоянии длины трубочек. Это самая жесткая из доступных в домашних условиях конструкций. С одного края между пластинами закрепляем бронзовую втулку. В качестве втулки я взял втулку с регулятора громкости какогото лампового телевизора. Внутренний диаметр втулки 6 мм, внешний 12 мм совпадающий с длиной трубочек которые у меня пролежали в кладовке более 40 лет и толщиной датчика. Втулку к одной из боковых пластин прилепим пластилином ака "Холодная сварка". Через втулочки пропускаем шток датчика на котором нарезана резьба М6Х1. Крючок, на который производитель думал цеплять взвешиваемые предметы, отделяем и откладываем.

 На противоположном конце датчика закреплен крючок который будет прогибать спицу опирающуюся на две крайние трубочки. Надо следить чтобы расстояние между ними было 80 мм. Теперь навинчивая на шток датчика гайку можно прогибать спицу между трубочками а датчик покажет нам напряжение в спице. Здесь надо тщательно следить чтобы прогиб был равен точно 2 мм. И хотя резьба имеет шаг в 1 мм за оборот гайки все равно нужен механизм который бы позволял точно определять прогиб спицы.

Дело в том, что датчик в процессе измерения деформируется на изгиб потому что это заложено в принцип его работы. Это будет давать нам погрешность измерения. Поэтому я думаю установить винт-упор который является одновременно электрическим контактом и позволяет контролировать количество прогиба самой спицы без деформации датчика. При достижении спицей винта контакт замкнется и включится подсветка дисплея. Для получения этого фокуса я отпаяю проводок соединяющий подсветку дисплея с платой  схемы и припаяю к винту-упору. Благодаря четкому сигналу дисплея ясно видно, что спица достигла расстояния в 2 мм. Дальнейшее движение спицы станет невозможно потому как винт мешает ей двигаться и это дает гарантию наиболее точного измерения прогиба спицы. Этим винтом можно воспользоваться для калибровки прибора.

Гайку передвижения датчика думаю сделать большого диаметра для удобства вращения ее рукой. В крючок что отклоняет спицу нужно вставить винт которым спица будет фиксироваться в одном строго определенном состоянии так как спицы имеют разный диаметр, и размеры крючка надо делать на толстую, например 3 мм. Если вставить тонкую, например 1,8 мм, то возникнет щель в 1,2 мм и прибор даст погрешность более чем вдвое! Это указывает на то, что точность изготовления крючка должно быть очень высокой как детали у микрометра. Точно изготовленый крючок будет мешать вставлять спицу. Это нам ни к чему. И крючок с винтом решает эту болезненную проблему.

Предварительная калибровка прибора осуществляется с помощью штангенциркуля а для окончательного нужен какой-то образцовый прибор, точность которого на порядок выше. Думаю здесь надо применить камертонный метод как наиболее доступный в домашних условиях.

А теперь бонус. Если выкрутить из крючка фиксирующий спицу винт и вкрутить тот крючок что был там с завода (мы его отложили в начале работы), то наш тензометр превратится в ... знакомый нам "безмен"! Два в одном!  

Вот что получилось.

Где стоят грабли?

Для предварительной калибровки я зажал спицу лежащую на опорах и замерял штангенциркулем расстояние между внешним краем прибора и крючком-зажимом спицы. Затягивая гайку штока датчика достиг отклонения в 2 мм. Закрутил упор контакт до момента включения дисплея. Таким образом при точности штангенциркуля 0,1 мм уже достигнуто точности механизма в 250гр. Может этого домашнего обихода является достаточным.

И тут я заметил, что прибор уже что-то показывает! Как ?! Спица висит в воздухе и не может быть напряженная! Конечно, прибор показывает напряжение спицы на изгиб. А она при реальном измерении на колесе сгибается три раза. Попытки придать спице ровного вида подтвердили мои подозрения.

Вот вам и первые грабли. Перед измерением напряжения в спицах колеса нужно измерить напряжение на изгиб у ненапряженной спицы. Эта величина должна вычитаться из измерений (и помним что изгиба целых три). Напряжение на изгиб зависит от материала и толщины и не является величиной постоянной.

Это касается ВСЕХ тензометров изгибающих спицу!

Теория от практики отличается тем, что в теории все выглядит несколько упрощенно. И это внушает печальные мысли. Например, что происходит в динамике? Немного пофантазировав я увидел другие грабли. Известно, что гипотенуза всегда длиннее своих катетов. Исходя из этого прогибаясь при измерении спица дополнительно натягивается тензометром. Будучи катетом, при прогибое этот отрезок спицы превращается в гипотенузу. Поэтому надо вычесть еще и эту величину.

Пробные измерения дали следующие результаты:

Спица Ø 1,8 мм на изгиб: 1кг 290 г (на дисплее к напряжению спицы прибавилось 12 кг 900 гр.).

Спица Ø 2 мм на изгиб: 1кг 600г (на дисплее к напряжению спицы прибавилось 16 кг).

Дополнительное напряжение прибором при измерении: 35 кг.

Таким образом вырисовывается "Методика измерения напряжения в спицах колеса". Просто померить мало - получим прогноз погоды. Нужно выполнить несколько обязательных шагов в определенном порядке.

Калибровки прибора.

Чтобы удостовериться в своих догадках я сделал модель одной отдельно взятой спицы.

На нее установил электромагнитный датчик и излучатель для подключения к компьютеру. С разработанным программным обеспечением это будет стенд для испытания и калибровки тензометров. Ну и чтобы не таскать велосипед к компьютеру.

Калибровка прибора происходит очень просто. Подключаем к компьютеру этот струнный генератор, запускаем программу. Программа имеет в своем составе осциллограф где видно колебания спицы и нарисована образцовая синусоида для заданного напряжения, частотомер с точностью 0,5 Гц. Спицевым ключом натягиваем спицу достигая частоты 350 Гц. Это напряжение в 100 кг. для спицы Ø 2 мм и длиной 285 мм (ниппель не колеблется!).

В программе предусмотрен калькулятор для вычисления перевода частоты в килограммы и наоборот. Предусмотрены и другие навороты для обеспечения большей точности процесса, например лупа которая позволяет точно сравнивать образцовую синусоиду с колебаниями спицы. Но ...

Натягивать спицу с точностью 1 Гц трудно и малейшее движение ключа меняет высоту тона на 2 - 3 Гц. Напомню. что 1 Гц это 500 гр напряжения спицы. Чтобы достичь большей точности надо натягивать спицу с помощью резьбы с меньшим шагом чем у спицы. Но стоит ли?

И так, мы имеем образцовую спицу которую напрягли до 100 кг.

Снимаем электромагнитные датчики, закрепляем ее в зажим нашего электронного тензометра,

выкручиваем калибровочный винтик на несколько оборотов и начинаем крутить гайку датчика.

Когда на дисплее высветится цифра 1000, оставив вращения гайки датчика закручиваем калибровочный винтик до момента когда вспыхнет табло. Все - наш тензометр откалиброван на работу со спицами аналогичными с образцовой.

Окончательная конструкция.

Люди в каменном веке не знали тензометров и измеряли напряжение в спицах нажимая их рукой в колесе. Этот метод был очень не точен но имел очень важное преимущество над нынешними. Стоило протянуть руку к колесу и измерение немедленно происходило. В "маленьком приборе" я тоже мечтал что то прижать к спице чтобы оно немедленно показало напряжение а не возиться с защемлением спицы, вращением всевозможных колесиков и прочее. Творчески просмотрев конструкцию я заметил там лишние детали без которых можно обойтись заменив их рукой человека.

Во-первых можно обойтись одной опорой. В процессе опытов было замечено, что датчик работает одинаково хорошо как на растяжение так и на сжатие. Изменив направление движения датчика получим что-то вроде динамометрического ключа с его удобством в пользовании. Прижал, надавил и готово. Как в каменном веке, но точность измерения составляет 1 сотню граммов.

 Вот так оно бывает в жизни. Мечтаешь, строишь и под конец замечаешь, что надо все переделывать. Этот процесс бесконечен! Поэтому продолжение следует ...