tensometria electrică
DESCRIPTION
Rezistenta materialelorTRANSCRIPT
Tensometria electrică1. Scopul metodei
Încă din secolul trecut se cunoștea că un conductor electric, supus unei deformații
mecanice, își modifică rezistența electrică. O primă direcție de dezvoltare a metodelor
experimentale este aceea a măsurării deformațiilor de pe suprafața pieselor. Cunoscând
deformațiile, pe baza legii generalizate a lui Hooke, se pot determina tensiunile. Metoda
poartă numele de tensometrie. Rămas multă vreme fără aplicații practice, acest fenomen fizic
a fost valorificat, după 1930, prin cercetările înterprinse de Simmons și Ruge, care au dus la
crearea traductorului tensometric rezistiv.
În esență, traductorul tensometric rezistiveste format din : elementul sensibil a, format
dintr-un fir foarte subțire dintr-un aliaj metalic; suportul traductorului b, format din o foiță de
hârtie sau alt material izolant; firele de legătură c, servind la conectarea traductorului într-un
circuit electric.
În cazul solicitărilor în domeniul elastic, deformațiile sunt mici astfel că pentru
măsurarea lor instrumentele folosite, tensometrele, trebuie să posede un sistem de amplificare.
Denumirea de tensometru nu este cea mai potrivită întrucât nu se măsoară tensiuni ci
deformații, de aceea se utilizează și termenul de extensometru. Intrat mai mult în uz, primul
termen este mai mult folosit.
După natura sistemului de amplificare, tensometrele pot fi mecanice, mecano – optice
sau electrice.
În cazul tensometrelor electrice, deformațiile sunt transformate, de dispozitivele
numite traductoare, în variații ale unor parametri electrici (rezistență, inductanță, capacitate).
Variațiile acestor parametri sunt măsurate cu metodele cunoscute în electrotehnică.
Dintre traductoare cea mai mare răspândire în practică de laborator o au cele rezistive
cu fir. Posibilitatea folosirii acestora se datorește observației că rezistența electrică a unui fir
deformat variază proporțional cu deformația specifică a firului.
ΔRR
= K ɛ
1
Coeficientul K este constanta traductorului, iar R rezistența inițială a firului. Ca
realizare practică, traductoarele rezistive cu fir se prezintă sub forma mai multor bucle plane,
lipite pe o foiță de hârtie. Aceste traductoare electrotensometrice rezistive, numite și mărci
tensometrice, se lipesc pe piesa studiată astfel ca să se deformeze odată cu aceasta.
În cazul când se cunosc direcțiile deformațiilor principale, traductoarele se lipesc pe
aceste direcții, iar tensiunile principale se determină din legea lui Hooke generalizată cu
relațiile
Fig.1. Traductor
a – element sensibil, b – suportul traductorului, c – fire de legătură
Fig. 2. Traductor
2
σ1 =
E
1−μ2 (ɛ1 + μɛ2)
σ2 =
E
1−μ2 (ɛ2 + μɛ1)
Rezistența electrică a traductorului este de cel puțin 100Ω. Elementul sensibil este un fir de constantan, sau alt aliaj, cu diametrul de câteva sutimi de milimetru, așezat în serpentină, spre a realiza lungimea de fir, respectiv rezistența dorită. Traductorul se lipește pe piesa de studiat cu un clei, iar după uscarea acestuia urmează deformațiile piesei studiate. Sub efectul acestor deformații, rezistența electrică a traductorului suferă o variație ΔR. Rezistența electrică a traductorului se poate scrie
R = ρ lS
= ρ l2
V
Unde ρ este rezistivitatea materialului, l – lungimea firului conductor, S – secțiunea firului, iar V – volumul lui.
Se aplică logaritmii naturali
ln R = ln ρ + ln l + ln V
Și se derivează ΔRR
= Δρρ
+ 2 Δll
- ΔVV
Se știe că Δl/l = ε. Pe de altă parte deformația volumică specifică este
ΔVV
= ευ = εx + εy + εz
Și cum firul este solicitat numai la întindere
ɛx = ɛ = Δll
ɛy = - υε
εz = - υε
Deci ΔVV
= ε ( 1 - 2υ )
2. Proprietățiile traductorului tensometric rezistiv
Spre a utiliza în mod curent traductorul tensometric rezistiv, trebuie să i se cunoască
proprietățiile, legate de scopul urmărit.
3
Liniaritatea. Principala proprietate a traductorului tensometric este liniaritatea, adică
păstrarea unei relații liniare între variația relativă a rezistenței ΔR/R și alungirea ε. Cât timp
există această relație liniară, constanta k rămâne neschimbată. În general traductorii
fabricați curent sunt liniari până la eforturi unitare care depășesc limita de curgere a oțelului,
deci până în zone în care legea lui Hooke, deci însăși tensometria, nu mai este aplicabilă.
Efectul temperaturii. În general, fiind vorba de aliaje metalice, variațiile de temperatură
influențează rezistența ohmică a traductorilor tensometrici. În schimb, constanta traductorilor
rămâne, în general neschimbată, în limitele curente de utilizare. Schimbarea rezistenței
electrice a traductoarelor cu temperatura se suprapune variației de rezistență datorită
deformațiilor mecanice și poate falsifica complet măsurarea tensometrică. Se va arăta ce
măsuri de compensare se iau spre a evita acest neajuns.
Efectul umidității. Umezeala dăunează traductorilor tensometrici. În primul rând,
umezeala micșorează rezistența electrică, permițând scurgeri de curent între firele grilajului
rezistent, scurgeri prin suportul izolant etc. În al doilea rând, umezeala micșorează rezistența
mecanică a unor adezivi, în special a celor pe bază de celuloid, permițând lunecări între
traductor și piesă, ceea ce are ca efect falsificarea completă a măsurării.
Efectul deformației transversale. Traductorul tensometric în serpentină are o serie de
bucle, unde direcția firului rezistent nu coincide cu direcția de solicitare a traductorului. În
aceste locuri, deformațiile transversale produc erori în măsurare, care sunt de ordinul – 2% la
+4% pentru traductori cu suport de hârtie, respectiv de – 2,3% la +6,7% pentru traductori cu
suport de bachelită. În general aceste erori se neglijează. Se fac și construcții speciale de
traductori, insensibili la deformațiile transversale, realizați din o serie de fire paralele, legate
transversal prin punți, de rezistență mult mai mică.
4
Fig. 3. Echipamente pentru tensometrie electrică rezistivă: punte tensometrică, cutie de comutare şi
echilibrare, aparat pentru reţinerea valorilor de vârf
Materialele compozite pot prezenta variaţii locale mari ale deformaţiilor specifice şi
dacă baza de măsurare a traductorului este mare, deformaţia specifică măsurată nu va fi cea
reală, traductorul măsurând o valoare medie a deformaţiilor.
Traductoarele rezistive scurte, având baza de măsurare sub 3 mm prezintă mai multe
dezavantaje: stabilitate redusă, elongaţie maximă mai mică în raport cu cele de dimensiuni
normale şi preţ de cost mare.
O caracteristică importantă a traductoarelor este densitatea de putere, mărime care
arată cantitatea de căldură degajată de traductorul
rezistiv. În funcţie de mărimea densităţii de
putere pot apărea sau nu tensiuni locale ce uneori
modifică proprietăţile compozitului. Factorii de
care depinde densitatea de putere sunt:
dimensiunile reţelei, rezistenţa traductorului (cât
mai mare) şi nivelul de excitare (cât mai mic).
Pentru traductoarele rezistive utilizate la
materiale compozite, nivelul acceptabil al
densităţii de putere este între 0,31 kw/m2 şi
1,2 kw/m2.
5
Fig.4. Traductoare rezistive simple
Traductoarele rezistive simple, orientate pe o singură direcţie, se folosesc mai rar în
cazul materialelor compozite, deoarece direcţiile tensiunilor principale pot să nu coincidă cu
direcţiile deformaţiilor specifice principale. Aceste traductoare se folosesc mai mult în
apropierea suprafeţelor exterioare.
Pentru analiza structurilor din materiale compozite armate cu fibre unidirecţionale sau
cu ţesătură, cele mai folosite traductoare sunt rozetele cu două direcţii de măsurare (tip L şi tip
V) şi cele cu trei direcţii de măsurare (rectangulare sau delta ()
3. Aplicaţie
Determinarea atenuării forţelor de impact la plăcuţele din cauciuc montate sub şinele de cale ferată prin tensometrie rezistiva electrică
Fig. 6. Cale ferată
6
Fig. 5. Rozetele cu două direcţii de măsurare
Analiza experimentală a tensiunilor/deformaţiilor specifice la structurile feroviare prin
metoda tensometriei electrice rezistive utilizează traductoare electrice rezistive (TER).
Utilizarea (TER) este impusă şi prin documentele de referinţă utilizate la încercările
efectuate la vehicule feroviare, structuri sau diferite componente. Traductoarele
tensometrice rezistive amplasate pe structurile feroviare sunt montate în sfert de punte;
montaje în punte întreagă se utilizează la celule de forţă (pentru măsurarea forţelor
aplicate pe vehicule sau a sarcinilor pe osii de exemplu). În cazul stării de tensiune
monoaxială se utilizează mărci tensometrice iar în cazul stării plane de tensiune şi
deformaţie se utilizează rozetele tensometrice (pe două sau trei direcţii).
În România, tensometria ca metodă de încercare se utilizează la vehiculele feroviare din
anii 1960 . Primul laborator de tensometrie a luat fiinţă în actuala Autoritate Feroviară
Română – AFER. Încercările efectuate de laboratoarele AFER (acreditate RENAR) pot fi
statice – se efectuează pe standurile AFER şi dinamice – se efectuează la Centrul de
Testări Feroviare Făurei (încercări de tamponare şi încercări în circulaţie).Prinderea
şinelor de traversă se realizează cu ajutorul a diverse sisteme.
Fig.7. Sistemul de prindere al şinelor de traverse.
Calitatea unei linii de cale ferată se apreciază în funcţie de caracteristicile geometrice,
masice şi regimul de viteză ale materialului rulant care circulă pe linia respectivă. La trecerea
vehiculelor, asupra căii se produc solicitări statice şi dinamice, iar imperfecţiunile căii
afectează calitatea de mers a vehiculului, stabilitatea şi chiar siguranţa ghidării acestuia. Pe
reţeaua feroviară din ţara noastră s-a utilizat, până în anul 1990, prinderea indirecta a şinei de
traversa – prinderea K. În decursul anilor, folosirea acestei metode s-a dovedit a fi
insuficientă, ceea ce a însemnat, ţinând seama şi de experienţa altor administraţii de cale
ferata, utilizarea unor alte variante de prindere elastică.
7
Pe Coridorul IV paneuropean, pe secţiunea românească aflată acum în faza lucrărilor de
reabilitare, se utilizeaza traverse din beton comprimat cu sistem de prindere de tip PANDROL
FASTCLIP sau de tip VOSSLOH W14, omologate sau agrementate in ultimii ani, proiectate
pentru viteze de circulatie de 200 km/h şi o sarcină pe osie de 25 t .
Lucrarea îşi propune să prezinte modul de determinare al forţelor de impact ce se transmit în
plăcuţele de cauciuc de sub şină, prin tensometrie electrică rezistivă.
Modul de efectuare a încercărilor
S-au efectuat încercări dinamice asupra prinderii elastice. Pentru măsurători s-au
utilizat mărci tensometrice Hottinger aplicate pe traversă (fig. 3) conectate prin cabluri la
sistemul de achiziţie în regim dinamic Hottinger MGCplus. Sistemele de achiziţie au fost
conectate la un laptop; interfaţa utilizată a fost creată în programul Catman 4.5 (produs de
firma Hottinger) Încercările s-au efectuat conform SR EN 13146 [5].
Traversa trebuie să fie din beton nefisurat, fără modificări în vederea încercării, cu suprafeţe
de rezemare corect dimensionate, pentru sistemul de prindere supus încercării.Traversa a fost
echipată cu două traductoare tensometrice electrice rezistive, cu lungimea nominală între
repere de (100 – 200) mm, fixate pe părţile laterale ale traversei, simetric faţă de dreapta care
trece prin centrul suprafeţei de rezemare, perpendicular pe talpa traversei.
Fig. 8. Mărci tensometrice Hottinger aplicate pe traversă
Traductoarele trebuie să fie paralele cu talpa traversei, unul trebuie poziţionat cât mai
aproape posibil de suprafaţa de rezemare a traversei, dar evitând muchie sau racordare, şi
celălalt trebuie poziţionat la cel puţin 10 mm dar la nu mai mult de 25 mm faţă de talpa
traversei.
8
Prin aplicarea celor
două mărci
tensometrice,
traversa devine un
traductor (celulă de
sarcină), ceea ce
face necesară
operaţia de
etalonare a
întregului
sistem.Pentru realizarea etalonării, s-a utilizat sistemul de achiziţie în regim dinamic
Hottinger MGCplus, etalonarea realizându-se cu forţe cunoscute, aplicate crescător (în
trepte) şi menţinerea acestora un anumit interval de timp.
Fig. 9. Curba de etalonare
Încercările dinamice s-au realizat prin aplicarea un şoc rezultat din căderea unei mase
pe suprafaţa unei şine fixate pe o traversă de beton. Efectul produs de şoc este măsurat
prin solicitarea produsă în traversa de beton. Atenuarea şocului caracteristică unui sistem
de prindere este evaluată prin compararea tensiunilor produse atunci când se utilizează
plăcuţa de referinţă cu atenuare redusă respectiv plăcuţa sistemului de prindere. În cazul
montării unei plăcuţe de referinţă în sistemul de prindere, tensiunile produse de şoc nu
trebuie să depăşească, la nivelul mărcilor tensometrice, 80% din rezistenţa de fisurare
calculată din momentului de rezistenţă al traversei în dreptul suprafeţei de rezemare a
şinei (Mdr după EN 13230-1). Masa în cădere utilizată, înălţimea de cădere şi rezilienţa
percutorului sunt astfel reglate încât tensiunea limită să nu fie depăşită. Procedura este
repetată pentru plăcuţa supusă încercării, fără modificarea masei în cădere, înălţimii de
cădere şi a rezilienţei percutorului.
Sistemul de prindere şi şina sunt asamblate cu utilizarea plăcuţei de încercat. Se aplică
şinei un şoc, prin cădere liberă a masei în cădere şi se înregistrează solicitarea,
înregistrarea fiind pornită cu cel puţin 3 ms înaintea impactului şi continuată cel puţin 5
ms după impact. Se aplică cinci şocuri cu plăcuţa de încercare montată. Se înregistrează
apoi deformaţia în cursul a trei şocuri consecutive.
9
Fig. 10. Test dinamic
Trebuie controlată integritatea traversei de încercat după fiecare încercare la şoc, prin
comparărea raportului solicitărilor măsurate de mărcile tensometrice situate la partea
superioară şi la talpa traversei, cu raportul corespunzător pentru o traversă similară supusă
doar unei încărcări statice.Încărcarea statică trebuie să fie conformă cu încărcarea de
încercare a suprafeţei de rezemare conform EN 13230-2 şi EN 13230-3. Dacă diferenţa
între raportul obţinut în timpul încercării la şoc şi raportul obţinut la încercarea statică este
mai mare cu 10 % din acesta din urmă, măsurătorile trebuie să fie respinse şi încercarea
trebuie repetată pe o nouă traversă.
Concluzie
Tensometria electro-rezistivă este una din cele mai utilizate tehnici
experimentale, utilizată atât pentru determinarea caracteristicilor elastice
ale structurilor compozite, cât şi pentru studiul comportării acestora sub
acţiunea încărcărilor exterioare. Pentru efectuarea unor cercetări
experimentale pe structuri realizate din asemenea materiale, este necesar
să se acorde o atenţie deosebită alegerii tipului de traductoare, a
adezivilor, lacurilor de protecţie, precum şi în ceea ce priveşte pregătirea
suprafeţelor.
10
Bibliografie
1. Gh. Buzdugan – Rezistenţa Materialelor, Bucureşti, Ed. Tehnică, 1980.
2. I. Păstrăv, CH. Boancă, L. Miron, A. Creţu – Rezistenţa Materialelor Lucrări de
Laborator, Cluj – Napoca, Institutul Politehnic Cluj – Napoca, 1986.
3. www.railwaypro.com /mp/ro/?p=6431
4. www.scribd.com\doc/2576011/TEHNICA-TENSOMETRIE-ELECTRO
11