Тензометр електронний.

Кожному велосипедисту – по тензометру!

Перевести на русский язык.

У попередній статті «Колісний стенд» я закінчив на оптимістичній ноті: «маленький прилад». Але Лінощі і божий дар музичного слуху звели нанівець увесь ентузіазм. Я бринькав по спицях пальцями і це задовольняло майже всі мої потреби. Крім однієї – хотілося пригод.

 І от, дні мерехтять як спиці в колесі, «маленький кишеньковий стенд» не розбирався майже рік, у черзі на нього 12 коліс і я все ще мрію про «маленький прилад».

Нещодавно в невеличкій місцевій крамничці я помітив електронні ваги що в народі просто звуться «безмін» і згадав свою статтю на ХТ, і думку яка тоді промайнула в голові: «… купити електронні ваги, розібрати на шматочки і з тих шматочків зібрати електронний тензометр».

А що? Тензометри в своїй більшості – це пружинні ваги по своїй суті і заміна однієї речі на іншу, аналогічну, не повинна бути нездійсненною.  Особливо коли ціна питання 60 гривень.

Сатана, моєю рукою, дістав з кишені гаманець і я за мить опинився серед щасливих власників цього китайського дива:

А ще через мить опинився вдома біля «операційного столу», всі шухлядки якого набиті різними інструментами. І препарація почалась.

Що там всередині?

З’ясувалося, що всередині прилада є датчик напруження, сигнал у вигляді зміни струму якого обчислюється електронною схемою і висвітлюється на дисплеї у вигляді ваги.  Вага не повинна бути більшою ніж 50 кг, діскретність дорівнює 10 гр.  Тобто на дисплеї чотири цифри: дві з них кілограми а інші дві - сотні і десятки грамів.  Точність виміру складає:

Для роботи приладу датчик треба розтягувати, він працює як динамометр, тому принцип описаний формулою наведеною нижче нам підійшов ідеально.

Посилання на формулу

Але є одна принципова відмінність. Якщо спицю відхиляти на постійну величину то ми здихаємось синуса в формулі бо він стане константою і графік напруження стане лінійним.

Згідно приведеної формули, якщо прогнути спицю на 2 мм між двома опорами, відстань між якими становить 80 мм, то динамометр покаже силу вдесятеро меншу ніж напруження спиці. Так цеж чудово! Ми отримали такий собі «редуктор» напруження спиці. Треба тільки забезпечити постійність прогину. Таким чином наш «безмін», при спиці натягнутій в 100 кг покаже на дисплеї 1000. Остання цифра – це сотні грамів. Сам «безмін», виходячи з таблиці, має похибку в даному діапазоні один відсоток. Це непогана точність виміру. Точність можна збільшити якщо калібрувати прилад  на  зразкових 100 кг зводячи похибку на ноль. Мається на увазі налаштування механізму таким чином щоб при напруженні спиці в 100 кг прилад показував рівно 1000. Так отримаємо в районі 100 кг мінімальну похибку.  

План дій.

По перше потрібно виготовити новий, міцніший корпус. Всі пружні деформації механізмів приладу негативно впливають на точність роботи. Розрахунки показують що, деформація яка погіршила точність прогину спиці на 0,1 мм додає похибку у 250 гр. По сопромату виходить, що найменше деформуються деталі які працюють на стискання і я схиляюся до такої конструкції корпусу яка стискається при роботі приладу. Сам датчик потребує розтягування для роботи і його можна розмістити симетрично всередині корпуса приладу щоб досягти рівномірного навантаження і запобігання деформації згинання, яка є найнебажанішою.

Ця конструкція мені здається такою: дві прямокутні металеві пластини сполучаються між собою гвинтами на куточках. Між пластинами на гвинти одягаються металеві трубочки.  Отримуємо дві паралельні пластини на відстані довжини трубочок. Це найжорсткіша із доступних в домашніх умовах конструкцій. З одного краю між пластинами закріплюємо бронзову втулку. В якості втулки я взяв втулку із регулятора гучності якогось лампового телевізора. Внутрішній діаметр втулки 6 мм, зовнішній 12 мм що співпадає з довжиною трубочок які в мене пролежали в коморі понад 40 років і товщиною датчика. Втулку до однієї з бокових пластин приліпляємо пластиліном ака «Холодная сварка». Через втулочку пропускаємо шток датчика на якому нарізано різьбу М6Х1. Гачок, на який виробник думав чіпляти зважувальні предмети, відокремлюємо і відкладаємо. На протилежному кінці датчика закріплено гачок який буде прогинати спицю що спирається на дві крайні трубочки. Треба попильнувати щоб відстань між ними була 80 мм. Тепер нагвинчуючи на шток датчика гайку можна прогинати спицю між трубочками а датчик покаже нам напруження в спиці. Тут треба ретельно пильнувати щоб прогин дорівнював точно 2 мм. І хоч різьба має крок в 1 мм за оберт гайки все одно потрібен механізм який би давав змогу точно визначати прогин спиці.

Річ в тім, що датчик в процесі вимірювання деформується на згинання бо це закладено в принцип його роботи. Це буде додавти нам похибку вимірювання. Тому я міркую встановити гвинт-упор який є одночасно електричним контактом і дає змогу контролювати кількість прогину самої спиці без деформації датчика. При діставанні спицею гвинта контакт замкнеться і ввімкнеться підсвічування дисплею. Для досягненя цього фокусу я відпаяю дріт що з’єднує підсвічування дісплею з платою єлектронної схеми і припаяю до гвинта-контакта. Завдяки чіткому сигналу дисплея ясно видно що спиця досягла відстані в 2 мм. Подальший рух спиці стане неможливий бо гвинт заважає їй рухатись і це дає гарантію найбільш точного виміру прогину спиці. Цим гвинтом можна також скористатися для калібровки приладу. Гайку пересування датчика міркую зробити великого діаметра для зручності обертання її рукою.

В гачок що відхиляє спицю потрібно вставити гвинт яким спиця буде фіксуватися в одному чітко визначеному стані бо спиці мають різний діаметр і розміри гачка треба робити на найтовстішу, наприклад 3 мм. Як що вставити тоншу, наприклад 1,8 мм, то виникне шпаринка в 1,2 мм і прилад дасть похибку більш ніж вдвічі!  Це вказує на те що точність виготовлення гачка має бути дуже високою як деталі у мікрометра. Точно виготовлений гачок буде заважати вставляти спицю. Це нам ні до чого. І гачок з гвинтом вирішує цю болісну проблему.

Попереднє калібрування приладу відбувається з допомогою штангенциркуля а для остаточного потрібен якийсь зразковий прилад точність якого на порядок вища. Думаю тут треба застосувати камертониий метод як найбільш доступний у домашніх умовах. 

А тепер бонус. Якщо викрутити з гачка фіксуючий спицю гвинт і вкрутити той гачок що був там з заводу (ми його відклали на початку роботи) то наш тензометр обернеться на… знайомий нам «безмін»! Два в одному!   

 Ось що вийшло.

Де стоять граблі?

Для попереднього калібрування я затиснув спицю яка лежала на опорах і заміряв штангенциркулем відстань між зовнішнім краєм приладу і гачком затискачем спиці. Затягуючи гайку штока датчика досяг відхилення в 2 мм. Закрутив упор-контакт до моменту вмикання дісплею. Таким чином при точності штангенциркуля 0,1 мм вже досягнуто точності механізму в 250гр. Може цього для домашнього вжитку є достатьньо. І тут я помітив, що прилад вже щось показує! Як?! Спиця висить у повітрі і не може бути напружена! Звісно, прилад показує напруження спиці на згин. А вона при реальному вимірюванні на колесі згинається три рази. Спроби надати спиці рівного вигляду підтвердили мої підозри.

От вам і перші граблі.

Перед вимірюванням напруження в спицях колеса потрібно виміряти напруження на згин у відокремленій спиці. Ця величина повинна відніматися від вімірів (і пам’ятаємо що згини аж три). Напруження на згин залежить від матеріалу та товщини і не є величиною постійною. Це стосується ВСІХ тензометрів що вигинають спицю!    

Теорія від практики відрізняється тим, що в теорії все виглядає дещо спрощено. І це навіює сумні думки. Наприклад, що відбувається в динаміці?  Трохи пофантазувавши я побачив другі граблі. Відомо, що гіпотенуза завжди довша своїх катетів. Виходячи з цього прогинаючись при вимірюванні спиця додатково натягується тензометром.  Будучи катетом, при прогинані цей відрізок спиці перетворюється в гіпотенузу. Тому треба відняти ще й цю величину.

Пробні вимірювання дали такі результати:

·        Спиця Ø1,8 мм на згин: 1кг 290 г (на дісплеї до напруження спиці додалося 12 кг 900 гр.).

·        Спиця Ø2 мм на згин: 1кг 600г (на дісплеї до напруження спиці додалося 16 кг).

·        Додаткове напруження приладом при вимірюванні: 35 кг.

Таким чином вимальовується «Методика вимірювання напруження в спицях колеса». Просто поміряти мало бо отримаємо прогноз погоди. Потрібно виконати декілька обов’язкових кроків у певному порядку.

Калібрування приладу.

Щоб упевнитися в своїх здогадках я зробив модель однієї окремо взятої спиці. На неї встановив електромагнітний датчик та випромінювач для під’єднання до комп’ютера. З розробленим програмним забеспеченням це буде стенд для випробування та калібрування тензометрів. Ну й щоб не тягати велосипед до компа.

Калібрування приладу відбувається дуже просто. Підключаємо до компа струнний генератор, запускаємо програму. Програма має у своєму складі осцилограф де видно коливання спиці та намальована зразкова синусоїда для заданого напруження, частотомір з точністю 0,5 Гц. Спицевим ключем натягаєм спицю досягаючи частоти 350 Гц. Це напруження в 100 кг. для спиці Ø 2 мм довжиною 285 мм (ніпель не коливається!). В програмі передбачено калькулятор для обчислення переводу частоти в кілограми і навпаки. Передбачені і інші навороти для забеспечення більшої точності процесу, наприклад лупа яка дає змогу точно порівнювати зразкову синусоїду з коливаннями спиці. Але…

Натягати спицю з точністю 1 Гц важко і найменьший порух ключа змінює висоту тона на 2 – 3 Гц. Нагадаю що 1 Гц це 500 гр напруження спиці. Щоби досягти більшої точності треба натягувати спицю за допомогою різьби з меншим кроком ніж у спиці.  Але чи варто?

І так, ми маємо зразкову спицю яку напружено до 100 кг.

Знімаємо датчики і закріплюємо її в затискач нашого електронного тензометра,

викручуєм калібровочний гвинтик на кілька обертів і починаємо крутити гайку датчика.

Коли на дисплеї висвітиться цифра 1000, облишивши обертання гайки датчика закручуємо калібровочний гвинтик до моменту коли спалахне табло. Все - наш тензометр відкалібровано на роботу зі спицями аналогічними зразковій.         

Остаточна конструкція.

Люди в кам’яному віці не знали тензометрів і вимірювали напруження в спицях натискаючи їх рукою в колесі. Цей метод був дуже не точний але мав дуже важливу перевагу над теперішніми. Варто було простягти руку до колеса і вимірювання негайно відбувалося. В «маленькому приладі» я теж мріяв притулити щось до спиці щоб воно негайно показало напруження а не вовтузитися з затисканням спиці, обертанням усіляких коліщат та інще.  

Творчо переглянувши конструкцію я помітив там зайві деталі без яких можна обійтися замінивши їх рукою людини. По перше можна обійтися однією  опорою. В процесі дослідів було помічено, що датчик працює однаково добре як на розтягування так і на стискання. Змінивши напрямок руху датчика отримаємо щось на зразок динамометричного ключа з його зручністтю в користуванні.  Притулив, надавив і готово. Як у кам’яному віці, але точність вимірювання складає 1 сотню грамів.

От так воно буває в житті. Мрієш, будуєш і під кінець помічаєш, шо треба все переробляти. Цей процес нескінченний!  Тож далі буде…