Пружинный динамометр что измеряет
Динамометр
Содержание
В данном уроке мы познакомимся с новым прибором, который называется динамометром. С его помощью можно измерить силу, действующую на тело.
Динамометр — это прибор для измерения силы.
Слово «динамометр» образовано от двух греческих слов: «динамис» — сила и «метрео» — измеряю.
Рассмотрим самый простой вид динамометра — пружинный. Это поможет нам разобраться с принципом действия прибора. Основной его частью является стальная пружина.
Не сложно догадаться, что если подвесить к пружине груз, то она растянется. Другими словами, наблюдатель видит, что на подвешенное тело действует сила, и может определить ее величину.
Пружинный динамометр
Простой пружинный динамометр можно изготовить самостоятельно (рисунок 1). Он состоит из нескольких частей:
Сначала закрепляем пружину на корпусе таким образом, чтобы ее нижний конец оставался свободным. Затем к нему прикрепляем указатель. Если разогнуть последний виток пружины, то его можно использовать в качестве указателя.
Шкалу можно изготовить из полоски обычной бумаги, нанеся на нее штрихи и числа. Поэтому приклеим бумагу на корпус и сделаем на ней первую отметку (рисунок 2, а). Это будет нулевая отметка, которая показывает, где заканчивается нерастянутая пружина.
Рисунок 2. Градуировка динамометра.
Если пружина прекратила растяжение и груз остановился, это означает, что сила тяжести, действующая на тело, и сила упругости пружины уравнялись. Новое положение указателя отметим на бумаге, поставив цифру 1 (рисунок 1, б).
Так мы уже получили начало шкалы и необходимо ее продолжить. И сделать это можно по-разному:
Теперь у нас есть шкала, которая позволяет измерять силу с точностью до целых. Но точность нашей шкалы можно улучшить до десятых, нанеся на нее дополнительные деления — 0,1; 0,2; 0,3; 0,4 и т. д.
Для этого разделим расстояние между отметками 0 и 1 на 10 одинаковых частей, поставив соответствующие штрихи. Аналогично поделим на части и другие отрезки ( между отметками 2 и 3, 3 и 4, и т. д.).
Принцип действия динамометра
Итак, мы видим, что для измерения силы, действующей на груз, необходимо уравнять ее с силой растяжения пружины динамометра. Указатель, закрепленный на пружине, покажет величину этой силы согласно шкале. Таким образом, можно сделать вывод, что:
Устройство динамометра основывается на сравнении измеряемой силы с силой упругости пружины.
Например, если подвесить груз какой-то массы, то мы будем сравнивать силу тяжести, действующую на этот груз, и величину силы упругости растянутой пружины.
Если мы возьмем крючок на конце пружины и потянем за него, то мы будем сравнивать силу, приложенную нами, с силой упругости пружины. Так, с помощью динамометра можно измерять различные силы.
Вспомним закон Гука — он гласит, что сила упругости тела при растяжении прямо пропорциональна изменению длины тела. Принцип работы динамометра подтверждает этот закон — пружина удлиняется во столько же раз, во сколько увеличивается сила ее упругости.
Виды динамометров
Можно выделить несколько видов динамометров на основе принципа их действия:
В основе работы механических динамометров лежит деформация. Принцип действия пружинного динамометра подробно описан выше. В рычажном динамометре под действием измеряемой силы происходит деформация рычага, которая и показывает величину силы.
Принцип действия таких динамометров основан на определении количества жидкости, вытесняемой из цилиндра под действием измеряемой силы.
У таких динамометров имеется датчик, который преобразует деформацию в электрический сигнал. Это вид динамометров стал широко применяться в последнее время.
Современные модели динамометров могу соединять и использовать в себе несколько принципов действия.
Применение динамометров
Динамометры имеют очень широкое применение. Например, в медицине используются специальные медицинские динамометры. Они предназначены для измерения силы различных мышечных групп человека.
Одним из таких приборов является ручной динамометр, который называется силомером (рисунок 3). С его помощью измеряется мускульная сила руки при сжатии кисти в кулак.
Рисунок 3. Силомер — электронный кистевой динамометр.
Для того чтобы измерить тяговые усилия локомотивов, тракторов, морских буксиров и другой техники, используют специальные тяговые динамометры (рисунок 4).
Рисунок 4. Применение тягового динамометра.
Такие динамометры способны измерять силы до нескольких десятков тысяч ньютонов. Современные модели имеют пульт дистанционного управления с дисплеем (рисунок 5).
Рисунок 5. Тяговый динамометр.
При монтаже проводов и кабелей используют динамометры для определения силы натяжения провода (рисунок 6). Существуют специальные монтажные таблицы с необходимыми значениями.
Рисунок 6. Динамометр для монтажных работ.
Динамометры используют не только в специальной технике, но и в обычных для нас местах: в метро, в автобусах и даже в лифте. Здесь эти приборы используют для измерения силы сжатия створок различных автоматических дверей.
Что измеряют с помощью динамометра?
Принцип действия динамометра известен не очень большому количеству людей, собственно, как и сам этот прибор. Мы исправим это недоразумение, составив краткую характеристику такого инструмента. Возможно, он мог бы решить некоторые ваши задачи, а вы об этом и не догадывались!
Что измеряют с помощью динамометра?
Его относят к приборам, измеряющим силы или силовые моменты. Промышленные предприятия, на которых требуются силовые измерения, применяют подобные приспособления. Часто они необходимы для того, чтобы осуществить плановые поверки стендов, а также агрегатов, которые предназначены для различных испытаний.
Используют их и при поверках силовых приборов, когда требуется определить силы 1 или 3 разрядов. Широко применяются данные приборы и в качестве эталонных средств по ГОСТу 8.065 и в тех работах, где нужно производить калибровку.
Первым прибором, который помогал измерить силы, были весы. Впервые их изображение появилось в печати в семнадцатом веке. В следующем столетии Сальтером было предложено для подобных целей устройство с пружиной, при помощи груза она растягивалась.
Был прибор с циферблатом, там измерение выполнялось замкнутой кольцеобразной пружиной. Уже позже появились нажимы Прони и динамометры Томсона, Броуна, Межи и Геффнер-Альтенека. Последние модели усовершенствовали, и на сегодняшний день представилась возможность использовать их во многих отраслях.
Основные элементы, которые включают динамометры растяжения: силовое звено (упругий элемент) и отсчетное устройство. В силовом звене идет непосредственно измерение усилий: там происходит деформация или небольшие колебания. С их помощью и передаются сигналы на отсчетное устройство. Такими инструментами измеряются усилия в таких единицах измерения, как Ньютоны и килограмм-сила.
Итак, что измеряют динамометром, мы разобрались, теперь посмотрим, как подразделяются данные приборы по принципу действия.
Они бывают механическими, которые классифицируют на пружинные и рычажные, гидравлическими и электрическими. Кроме таких прикладных задач, бывают и специфические разновидности силового прибора, например, тормозные и трансмиссионные. Теперь остановимся на каждом подробнее.
Виды силомерных инструментов – как они работают?
Механические инструменты такого вида делятся на пружинные и рычажные.
Принцип работы гидравлического прибора основан на вымещениях измеряемой силой жидкостей из цилиндров. В конструкции имеется специальное цилиндрическое устройство, заполненное жидкостью. Когда на приспособлении создается усилие, то жидкость подступает к трубке и затем к аппарату, который записывает и регистрирует показатели. Таким нехитрым законом физики получилось создать довольно точный прибор.
А что же что измеряется динамометром электрического типа? Приборы такого вида состоят из датчиков, с их помощью преобразуется деформация от воздействий сил в электрические сигналы. Также имеются и дополнительные датчики, они усиливают и записывают электрические сигналы от первых датчиков.
Если необходимо преобразовывать силы или силовые моменты в деформацию, то нужно пользоваться индуктивными, пьезоэлектрическими, тензорезисторными и вибрационно-частотными датчиками сопротивлений.
Когда будет создаваться силовой момент, то датчик тут же будет деформироваться, а токи моста сопротивлений будут меняться. У электрических сигналов силы всегда пропорциональны деформациям элементов, а значит, и силам воздействий. При помощи второго датчика будет усиливаться сигнал, а показатели будут записываться для следующей обработки.
Принцип работы тормозного измерителя силы основан на поглощении мощностей обследуемых агрегатов. Приборы такого типа отличаются конструктивными решениями, то есть могут быть установлены в тормоза разных видов. Это могут быть гидравлические тормоза Прони или электромагнитные, а с помощью двигателей определяется мощность.
Во время работы происходит воздействие на вал, и вращательными усилиями или крутящими моментами происходит измерение прибором. Наиболее часто измеряется скорость вращений валов при помощи тахометра.
Результаты измерений сопоставляются, находится входная и выходная мощности прибора. При помощи гидравлического тормоза есть возможность измерить мощность на агрегатах с высокими оборотами.
В приборах трансмиссионного типа установлено устройство – тензодатчик. Он тесно связан с приводным валом, с его же помощью происходит и измерение деформаций кручений. Деформации меняют электрические сопротивления на тензодатчике. Наиболее часто такими приборами пользуются на судовых двигателях.
Почему не каждый слышал про динамометр?
Почему мы редко слышим об использовании этого приспособления? На самом деле, это очень специфический прибор, и сферы его применения не так доступны. Например, инструменты для замера силы широко применяются там, где необходимо измерять требуемую мощность для сжатия створок. Это почти все автоматически закрывающиеся системы.
Работу таких приборов можно увидеть в дверях трамваев или автобусов. Под контролем такого приспособления открываются двери в вагонах поездов, метро, грузовых и пассажирских лифтов, гаражных ворот, автомобильных окон, сдвигающихся люков на крыше…
Если вспомнить некоторые случаи из жизни, то можно представить и различные травмы от таких дверей. Поэтому при разработке любых конструкций с такими приборами созданы специальные нормы и правила, не только связанные с установками, но и с их пользованием.
При разработке рассчитываются все необходимые значения сил сжатий, особенно если это закрывающиеся системы. Производители учитывают все показатели при конструировании подобных механизмов.
Как развивается этот прибор сегодня?
Современная промышленность не останавливается на достигнутом. Появления таких приборов в жизни людей позволили создавать много полезных устройств, которые облегчают жизнь. Производители в своей работе используют новые открытия, новые технологии.
Постепенно старые модели уходят из обихода и появляются новые, более удобные. Так, на сегодняшний день вместо привычных механических все больше используются электронные силомеры. Они отличаются составляющими элементами.
Устройство электронных приборов содержит тензодатчик, то есть силовой датчик, измерительные индикаторы и соединительные провода или радиоканалы. Принцип работы такого вида прибора основан на измерении деформаций тензометрическим датчиком за счет воздействий прикладываемых сил. В процессе работы образуется электрический сигнал, полностью прямо пропорциональный сообщенной деформации. Полученные показатели и являются силовыми величинами.
В настоящее время именно такими приборами пользуются во многих промышленных отраслях для поверок испытательных машин, либо стендов. Поэтому производители стараются выпускать чаще такие приборы, предназначение которых – определять не только изменяющиеся, но и статические силы растяжений и сжатий.
Последняя модель измерительного прибора СИУ2 и СИУ работает именно с помощью инструмента сжатий. Их применение наиболее востребовано на предприятиях, где необходимо проводить проверки испытательных конструкций.
Динамометр. Характеристики. Виды. Динамометрия.
Динамометры – контрольно-измерительные приборы, которые предназначаются для измерения силы растяжения или сжатия (в ньютонах) или момента силы (в килограмм-силах). Динамометры сильно отличаются по функциональной принадлежности, типу конструкции силового звена и предназначению, чем и обуславливается диапазон измерений усилия от нескольких сотых долей ньютонов до нескольких десятков тысяч килоньютонов. Для примера, можно привести динамометр сжатия ДАЦ-С, растяжения ДАЦ-Р, и универсальный динамометр ДАЦ-У.
Как же появились динамометры
Стоит отметить, что первым прибором, использовавшимся для измерения силы, были весы. Первое изображение таких весов появилось в 1726 году. В 1830 году Ричард Солтер (Сальтер) придумал и произвел весовое устройство, в котором для измерения силы использовалась пружина, растягивающаяся, под действием груза, на определенное расстояние, соответствующее массе груза. Немногим ранее, по расчетам Ренье, был изобретен динамометр с циферблатом, использующий кольцеобразно замкнутую пружину. Позже появились нажим Гаспара де Прони, а также динамометры конструкций Броуна, Томсона, Межи и Гефнер-Альтенека. Эти устройства и легли в основу современных динамометров.
Динамометр, в классическом виде, состоит из силового устройства и отсчетного устройства. Измеряемое усилие, в процессе измерения, создает в силовом звене деформацию, которая путем механической передачи или электрического сигнала сообщается аналоговому или цифровому отсчетному устройству.
В зависимости от типа силового устройства, а также принципу действия выделяют динамометры Механические, которые делятся на рычажные и пружинные, гидравлические и электронные. Причем, в одном динамометре могут быть использованы два типа (принципа) силовых устройств. Итак:
— Механический динамометр – как было сказано выше, механические динамометры делятся на пружинные и рычажные. Пружинный динамометр работает путем передачи силы на пружину, которая, в зависимости от направления действия и предназначения прибора, либо сжимается, либо растягивается. При этом, величина упругой деформации пружины строго пропорциональна силе воздействия. Рычажный динамометр работает посредством деформации рычага под действием силы, причем величина деформации регистрируется. Приборы такого типа не слишком точны, а их показания сильно зависят от температуры окружающей среды. Простейшим динамометром пружинного типа на растяжение является конструкция типа «безмен», а рычажного – известный автомобилистам динамометрический ключ. Естественно, настоящие механические динамометры намного сложнее, и чаще всего имеют более точную круговую шкалу.
Динамометрический ключ
Безмен
— Гидравлический динамометр – работает на принципе вымещения жидкости из цилиндра давлением измеряемой силы. Под давлением, вытесняемая жидкость поступает к записывающему аппарату по трубке, где её количество регистрируется. Гидравлические динамометры, хоть и более точные приборы, чем механические, однако, более сложны в изготовлении, поскольку, малейшая разгерметизация, или неправильное дозирование жидкости в приборе при его производстве сказывается на точности.
Гидравлический динамометр
— Электрический динамометр – включает в себя датчик, преобразующий деформацию от воздействия силы в электрический сигнал, а также дополнительный датчик, благодаря которому сигнал от первого датчика усиливается и записывается в оперативной памяти прибора. Датчики, используемые для преобразования силы и момента силы, могут быть пьезоэлектрические, индуктивные, вибрационно-частотные датчики сопротивления и, конечно же, тензорезистивные. Датчик, под действием применяемой силы, деформируется, а сопротивление в месте деформации возрастает, вследствие чего изменяются токи. При этом, сила передаваемого электрического сигнала зависима, и прямо пропорциональна деформации измерительного элемента, и как следствие, силе воздействия. Электрический динамометр – пожалуй, самое современное решение в области динамометрии. Такие динамометры обладают высокой точностью, легкостью, малыми габаритами.
Электронный динамометр растяжения
В повседневной жизни, обычный человек постоянно сталкивается с динамометрами. Элементы динамометров могут быть использованы для измерения силы сжатия створок различных автоматических систем, работающих на закрытие. Например, двери лифта, автобуса, вагона поезда метро, створки гаражных ворот, электростеклоподъемники автомобильных окон, и др. В случае неправильной настройки, все эти системы могут причинить вред здоровью или материальный ущерб, поэтому существуют технические нормы, в которых определены максимальные значения сил сжатия в автоматических системах закрывания. Данные нормы обязательны к применению во всех цивилизованных странах мира.
Помимо перечисленных выше, выделенных по признаку типа измерительного устройства видов динамометров, отдельно выделяют группировку по назначению приборов, в которой особняком стоят образцовые динамометры и медицинские динамометры.
— Образцовые динамометры – эталонные приборы, предназначение которых состоит в измерении статических сил сжатия и растяжения при ремонте и проверке рабочих стендов и испытательных машин. Конструктивно, они состоят из тензо-датчика силы, соединенного с цифровым измерителем. Образцовые динамометры механические представлены моделями ДОСМ и ДОРМ на сжатие и растяжение, соответственно. Электронных моделей, конечно же больше. В качестве примера, приведем ДОСЭ и ДОРЭ, также на сжатие и растяжение.
Как правило, образцовые динамометры малозависимы от температуры окружающей среды, имеют автоматическую компенсацию искажения от нагрузок с боков, а также, обладают средствами самодиагностики. Они долговечны, точны, имеют малые габариты и вес. Для удобства работы, современные образцовые динамометры имеют цифровые индикаторы, удобный пользовательский интерфейс, и возможность подсоединения к ПК.
— Медицинские динамометры – это специализированные динамометрические приборы. Благодаря им, можно определять силу, выносливость, уровень работоспособности, такие приборы позволяют судить об общем состоянии мышц, а также, помогают следить за восстановлением больного после травмы.
Медицинские динамометры подразделяются на кистевые (ручные) и становые динамометры.
Кистевой гидравлический динамометр
Становой динамометр – специализированный прибор, который предназначается для измерения силы мышечных групп, выпрямляющих туловище. Измерения, проводимые с использованием данного устройства, охватывают полный комплекс мышц-разгибателей туловища. Такой нехитрый тест, позволяет определить силу, статическую выносливость, а также, общее состояние и работоспособность человека. В качестве примера, можно привести становые динамометры серии ДС: ДС-200 и ДС-500.
Что измеряет динамометр?
Динамометр является портативным (автономным или приводным) прибором, при помощи которого могут измеряться различные механические параметры функционирующей технической системы. В физике динамометры часто используются для определения момента количества движения или импульса силы.
Типы динамометров
Что ещё измеряет динамометр? Прибор можно также использовать для того, чтобы установить первичные условия (например, потребную мощность или энергию), наличие которых заставит исполнительный механизм производить полезное действие.
В зависимости от назначения выделяют несколько конструкций динамометров, которые могут быть сгруппированы по типу своего действия – активному или пассивному. Так, динамометр, предназначенный для привода, называют абсорбционным или пассивным динамометром. Прибор, который может управлять или поглощать энергию, получил название универсального или активного динамометра.
Приборы могут выполнять и ряд других функций. Например, в стандартных циклах испытаний автомобиля на количество отработанных отходов динамометры используются для создания моделируемой нагрузки двигателя (с использованием динамометра двигателя) или полной трансмиссии (с использованием динамометра шасси).
Можно их использовать и в качестве испытательного стенда для различных видов испытаний двигателей, куда входят калибровка контроллеров управления, детальные исследования по трибологии сгорания топлива и пр.
Принцип работы и устройство
Тормозной динамометр — один из самых простых. Он предназначен для измерения выходной мощности (или мощности тормоза). Происходит это методом остановки вращающегося маховика, во время которого измеряется вес прикреплённого к тормозу рычага.
Такой динамометр включает в себя:
Вырабатываемая при торможении энергия преобразуется в тепло трения. Тормозной момент можно регулировать путём натяжения подпружиненных болтов, которые затягивают блок. Для исключения перегрева динамометр необходимо периодически охлаждать.
Пружинный динамометр ДПУ-2-2 относится к приборам растяжения. Он используется для того, чтобы измерять статические величины. Усилие фиксируется по натяжению пружины, имеющей определённые характеристики упругости. Пружина растягивает блок, положение которого фиксирует стрелка на шкале.
Процесс получения показаний динамометров активного типа.
Что измеряют такие динамометры? Результатом их действия является получение динамометрической диаграммы. Так, в динамометре двигателя поток воды, пропорциональный приложенной нагрузке, создает сопротивление вращению ротора. Контролируемый поток воды через впускной коллектор направляется в центр ротора каждой секции абсорбции. Эта вода затем выталкивается во внешний корпус динамометра под действием центробежной силы. Поскольку поток направлен наружу, то вода направляется в полости, расположенные в неподвижных пластинах статора. Там она замедляется. Постоянное изменение скорости заставляют динамометр поглощать мощность, создаваемую двигателем. Посредством этой передачи энергии вода нагревается и затем сливается.
Неотъемлемым компонентом современных динамометров является система сбора данных. Эта система обычно состоит из двух блоков: командного и рабочего, соединённых регистрирующим кабелем. Рабочая станция представляет собой настольный компьютер, управляемый программным обеспечением на базе Windows. Он выдает команды на рабочую станцию и сенсорное экранное устройство, расположенное в прочном корпусе. Рабочая станция управляет системами управления нагрузкой и дросселем, собирает данные и отправляет их в командный блок для обработки, хранения и анализа.
Точность срабатывания рабочей станции и, следовательно, точность системы сбора данных, зависит от её способности правильно измерять данные в тестах динамометра. Центральным элементом этих измерений является точность датчиков давления, которые измеряют воздушный поток во впускном коллекторе, давление масла и другие энергетические показатели движущейся жидкости.