Automatikai építőelemek 4. Nyúlásmérő átalakítók, vagy tenzoellenállások Alapfogalmak 1. Relatív hosszváltozás Az anyagok húzó, vagy nyomóerő hatására megváltoztatják az alakjukat. Az erő irányától függően a hosszuk nő, vagy csökken. Ennek sorrendjében a keresztmetszetük csökken, vagy nő. Ennek jelölésére vezették be a relatív hosszváltozást: . Az „ε” pozitív, ha „Δl” pozitív (húzás) és negatív, ha „Δl” negatív (nyomás). 2. Mechanikai feszültség Mechanikai feszültséggel jellemezzük a folyamatot, ha egy anyag erő által van igénybe véve. Általában ez a feszültség külső erő hatására jön létre, de kivételes esetben belső erőbehatásra is létrejöhet. Típusa szerint lehet normál, vagy nyírófeszültség. Keletkezése szerint pedig lehet húzó, nyomó, csavaró és termikus.

Automatikai építőelemek 4. Nyúlásmérő átalakítók, vagy tenzoellenállások 3. Normálfeszültség Húzó és nyomóerők esetében lép fel, vagyis amikor az erők egy tengely mentén hatnak. Képlete: Mértékegysége a N/m2 = Pa, de alkalmazzák még a következőket: 1N/mm2 = 100N/cm2 =1 MPa és 1 N/cm2 = 10 kPa (1 kp/mm2 ≈ 10 N/mm2). 4. Nyírófeszültség Nyírófeszültség akkor keletkezik, ha az erők nem közvetlenül szembenéznek egymással, hanem eltolva jelentkeznek. A fellépő feszültséget „τ” – val jelöljük és két egymással szembenéző normálfeszültségből számíthatjuk: Mértékegysége azonos a normálfeszültség mértékegységével.

Automatikai építőelemek 4. Nyúlásmérő átalakítók, vagy tenzoellenállások 5. Rugalmassági modulus Az anyagok egyik fontos alaptulajdonsága a szakítószilárdság. Az ún. lineár-elasztikus anyagot a rugalmasság határain belül egy lineáris összefüggés (σ/ε) jellemzi, ami függ az anyag ridegségétől is. Jele: „E” és neve rugalmassági modulus. Mértékegysége: Pa, vagy N/cm2, vagy N/mm2 (1Pa = 1 N/m2). Normálfeszültség/relatív hosszváltozás 6. Poisson állandó Siméon Denis Poisson (1871 – 1840) francia tudós kutatásai során megállapította a következőket. Ha egy pálcára „F” nyomóerő hat, akkor Δl/l = εl arányban rövidül, de ezzel egyidejűleg megnő a keresztmetszete (vastagsága) és fellép egy keresztmetszeti nyúlás: Δa/a0 = εq. Ekkor „εl” negatív, „εq” pozitív. A kettő hányadosát nevezzük Poisson állandónak: Értéke általában 0,15…0,45 között van, maximuma pedig 0,5.

Automatikai építőelemek 4. Nyúlásmérő átalakítók, vagy tenzoellenállások 7. Termikus kiterjedés A hőmérsékletváltozás miatt kialakult hosszváltozások hatására nem lép fel mechanikai változás az anyagban, ha: - A szabad expanzió, vagy kontrakció nem ütközik akadályba ( pl. az anyag nincs befogva) Az anyag teljes területén egyenlő a hőmérséklet. Az ilyen típusú jelátalakítók tehát mechanikai deformációt alakítanak ellenállás-változássá. Működése azon alapul, hogy szilárd testekben a külső mechanikai terhelés hatására mechanikai feszültség – és nem villamos feszültség – ébred. Ezt a mechanikai alakváltozást kell leképezni ellenállásáváltozásra, amelyet kétféle módon lehet elvégezni: átmeneti ellenállásváltozás és nyúlás okozta méretváltozás útján. Főként az utóbbi módszert használják.

Automatikai építőelemek 4. Nyúlásmérő átalakítók, vagy tenzoellenállások A nyúlásmérők működésének elvét az ábra alapján magyarázzuk. Nyúlásmérők működési elve A nyúlásmérő bélyegek átalakítási tényezőjének jelölésére a „g” betűt (gauge factor- ejtsd gédzs faktor) használjuk és értelmezése (S ≡ g): A nyúlásmérő bélyeg a bennük alkalmazott deformálódó ellenállások szerint lehet - huzalos fóliás – ezek a ketten a fémes vezetők közé tartozik félvezetős.

Automatikai építőelemek 4. Nyúlásmérő átalakítók, vagy tenzoellenállások Fémes vezetőből készült nyúlásmérő bélyeg Nyúlásmérő bélyeg elvi kialakítása A huzal jelen esetben egy 10...100 mm hosszú vékony szigetelő fóliára van felragasztva. Néhány anyag átalakítási tényezőjét és hőmérsékleti tényezőjét a táblázat mutatja: Anyag g Hőmérsékleti tényező [1/°C] alloy 479 4 ± 10 % 0,24 . 10-3 elinvar 3,6 - konstantán 2,0...2,7 ± 0,03…10-3 nikkel -12,1 6,7 . 10-3 nikróm 2,1...2,3 0,1 . 10-3 manganin 0,3…0,47 0,01 . 10-3

Automatikai építőelemek 4. Nyúlásmérő átalakítók, vagy tenzoellenállások A nyúlásmérőknek van kereszt-irányú érzékenysége is, amelyet az alábbi ábra mutatja. Amennyiben a felragasztás helyesen történik, akkor a mérendő deformációt az „x-x” tengelyirányban mérjük, azonban a bélyeg érzékeny az „y-y” irányú deformációra is, de ez a másiknak csak néhány (1...3) százaléka. Példa a bélyeg méreteire Keresztirányú érzékenység Az „A” és „B” méretek a felragasztás aktív helyszükségletét a „C”, „D” és „E” méretek a ténylegesen felhasznált helyszükségletet mutatják

Automatikai építőelemek 4. Nyúlásmérő átalakítók, vagy tenzoellenállások Huzalos nyúlásmérő bélyeg Huzalos bélyegek Az ábrán sorrendben ívben hajlított, élben hajlított és ponthegesztett kivitel látható.

Automatikai építőelemek 4. Nyúlásmérő átalakítók, vagy tenzoellenállások Fémréteg vagy fólia tenzoellenállás kialakítások Hordozóra gőzölik fel a 4...20 mm-es fémrétegellenállást. Erre a meg-oldására mutat példákat az ábra. Előnyük, hogy – mivel nagyobb felületen érintkeznek – a hőátadásuk nagyobb és bármilyen bonyolultságú profil készíthető. A c. ábrán látható az ún. rozetta alakú mérőbélyeg, amit akkor célszerű használni, ha ismeretlen főirányok esetén is elegendő információt akarunk kapni. Fémréteg tenzoellenállások

Automatikai építőelemek 4. Nyúlásmérő átalakítók, vagy tenzoellenállások Fémréteg vagy fólia tenzoellenállás kialakítások A szokásos ellenállásértékek: 50, 100, 200, 400, 600 és 1000 ohm. - pontossága a névleges ellenállásérték ± 0,25% körül, a linearitása pedig 0,1 …1% között van. a bélyegek élettartama 106...107 ciklus, hőmérséklettartománya pedig 40 °C…+150°C között van, de vannak magasabb kb 400°C-ig. Az ábra olyan kialakításokat mutat, amelyekkel különböző irányú deformációk egyidejűleg mérhetők. Az a. ábra derékszögű a b. ábra egymással szöget bezáró deformációk mérésére alkalmasak, míg a c. ábra delta rozetta az ismeretlen főirányok esetére.

Automatikai építőelemek 4. Nyúlásmérő átalakítók, vagy tenzoellenállások Fémréteg vagy fólia tenzoellenállás kialakítások Az a. ábra tangenciális, a b. ábra pedig radiális nyúlás mérésére szolgál. A fémből készült nyúlásmérők: Előnyei: a kis méret nagy pontosság kis belső impedencia. Hátrányuk: hőmérsékletfüggők a próbatest hőtágulásából eredő hiba a ragasztásból származó hiba viszonylag alacsony érzékenység. Membránok deformációján alapuló mérés

Automatikai építőelemek 4. Nyúlásmérő átalakítók, vagy tenzoellenállások Félvezetős nyúlásmérő bélyegek A félvezetős nyúlásmérő bélyegek úgy készülnek, hogy általában műanyagból készült fóliára 10 μm nagyságrendben félvezetőt visznek fel, vagy igen vékony piezoellenállás lemezt ragasztanak fel . Felépítését az első ábra mutatja, a karakterisztikáját pedig a második ábra. Az a. ábra a „p” tip. a b. ábra pedig az „n” tip. Félvezetőből felépített bélyeg karakterisztikáját mutatja. A félvezetős bélyegek rezisztív tényezője – így a nyúlási tényezője is - lényegesen nagyobb, mint a fémes bélyeg esetében láthattuk. A nyúlási tényező ez előbbinek lehet 50…60 – szorosa is. p típus n típus Félvezető rétegek karakterisztikája

Automatikai építőelemek 4. Nyúlásmérő átalakítók, vagy tenzoellenállások Félvezetős nyúlásmérő bélyegek jellemzői A félvezetős nyúlásmérő bélyegek E:lőnyei közé tartozik a nagy érzékenység, kis méret és az, hogy az alapellenállás értéke adalékanyagokkal jól befolyásolható Hátrányuk: statikus karakterisztika nemlineáris nem túl stabil viszonylag alacsony a pontosságuk hőmérsékletfüggő és még a fémbélyegek hibái is fellépnek. A mérést befolyásoló hibaforrások között kell megemlíteni a ragasztásból, a ragasztó anyagból és a hőmérsékletváltozásból származó hibákat.

Automatikai építőelemek 4. Nyúlásmérő átalakítók, vagy tenzoellenállások Hőmérsékletfüggő ellenállások A gyakorlati hőmérsékletmérési feladatok megoldásához a legkülönbözőbb hőmérőkre van szükség. A mérendő hőmérséklet helye sokszor távol van attól a helytől, ahol a mérés eredményére szükség van, sokszor egy időben több helyen szükséges a mérési eredmény kijelzése; igen kis hőmérsékletkülönbségek egyszerű hőmérőkkel nem érzékelhetők. Ezért a hőmérő csak a legegyszerűbb esetben olyan eszköz, amelyen - a kívánt helyen elhelyezve - a hőmérséklet mérőszáma közvetlenül leolvasható. Ilyen pl. az üveghőmérő. A korszerű mérésnél és szabályozástechnikában azonban fizikai készülékek egész láncolatára van szükség, hogy a hőmérsékletet más, tovább vezethető, tárolható, erősíthető jellé átalakíthassuk, kijelezhessük vagy egyéb célra, pl. szabályozásra felhasználhassuk. Így a ,,hőmérő’’ szó gyűjtőnévvé vált. A hőérzékelő (mérőátalakító) a hőmérőnek az a része, amely a hőmérsékleti jelet vele arányos, de további feldolgozásra szoruló jellé alakítja. A hőérzékelő kimenőjelét vezeték továbbítja a kiértékelő műszerig. Továbbítás előtt vagy közben szükséges lehet a jel erősítése vagy átalakítása, amelyet mérőerősítőkkel, távadókkal végzünk. A jel kiértékelése mutatós műszerekkel, digitális készülékekkel vagy más eszközzel történik, esetleg regisztrálásra kerül, vagy szabályozó szervekben használjuk fel.

Automatikai építőelemek 4. Nyúlásmérő átalakítók, vagy tenzoellenállások Hőmérsékletfüggő ellenállások A hőmérőket elsősorban a hőérzékelők érzékelési módja szerint csoportosítjuk. Ez határozza meg ugyanis legnagyobb mértékben az alkalmazási lehetőségeiket, hibaforrásaikat. A hőérzékelőnek a mérés folyamán részben vagy egészben át kell vennie a mérendő test hőmérsékletét. Ez történhet: a, hővezetéssel (kondukcióval). Ilyenkor a mérendő test közvetlen, szoros érintkezésben van a hőmérővel, vezetés útján hőt ad át. A hőmérő kapacitásától, hővezetési képességétől függően a test hőmérsékleti viszonyait megzavarhatja. b, hőszállítással (konvekcióval). A hőmérő és a tárgy közvetlenül nem érintkeznek. A hőátadás a közöttük levő közeg, pl. gáz vagy folyadék áramlása segítségével történik. c, hősugárzás (radiáció) útján. A mérendő tárgy hőmérsékleti viszonyait általában ez zavarja legkevésbé.

Automatikai építőelemek 4. Nyúlásmérő átalakítók, vagy tenzoellenállások Hőmérsékletfüggő ellenállások A nemzetközileg elfogadott °K és °C egységeken kívül más egységek is vannak még használatban. Különösen az angolszász országokban alkalmazzák még a Fahrenheit- és a Rankin-skálát. Az egyes használatos hőmérsékletskálák közötti összefüggések a következők: T(°K) = υ.(°C)+273,15, υ(°R) = υ.(°F)+459,67, υ(°F) =9/5 . υ(°C)+32, υ(°R) =9/5 .T(°K).

Automatikai építőelemek 4. Nyúlásmérő átalakítók, vagy tenzoellenállások Hőmérsékletfüggő ellenállások Fajtái: érintkezéses, és érintkezés nélküli hőmérők. Ebben a részben csak a hőmérsékletfüggő ellenállásokkal foglalkozunk. A hőmérsékletfüggő ellenállások hőmérsékletváltozást alakítanak ellenállásváltozássá. Többféle anyagból készíthető, mindegyikkel szemben támasztott követelmények a következők: nagy legyen a hőmérsékleti tényezője és a fajlagos ellenállása, minél lineárisabb legyen a karakterisztikája és legyen stabil. A hőmérsékletfüggő ellenállásoknál felhasznált anyagok lehetnek fémes vezetők, félvezetők. Függetlenül az anyagoktól a hőmérsékletfüggő ellenállásokat ellenállás hőmérőnek szokás nevezni. Hőmérsékletfüggő ellenállások blokkvázlata

Automatikai építőelemek 4. Nyúlásmérő átalakítók, vagy tenzoellenállások Fém ellenállás hőmérők Ellenállások hőfokfüggése A kivitelét illetően a fém ellenállás-hőmérő általában kerámiákra, csillámra tekercselt fémhuzal. Leggyakrabban platinát, nikkelt és rezet használnak. Az ábrán néhány fém ellenállás-változásának értékét a hőmérséklet függvényében.

Automatikai építőelemek 4. Nyúlásmérő átalakítók, vagy tenzoellenállások Fém ellenállás hőmérők Platina ellenállás-hőmérő Ellenállás-hőmérőkhöz legáltalánosabban használt és legjobban bevált anyag a platina. Tulajdonságai: Rendkívül korrózióálló. (a legjobb ezt a tulajdonságát magasabb hőmérsékleten is megtartja). - Olvadáspontja magas (1769 °C). ( Széles hőmérséklettartományban alkalmazható). Fajlagos ellenállása viszonylag nagy. (Az aranyénál, rézénél többszörösen magasabb. Ez lehetővé teszi kisméretű érzékelők készítését. Huzallá jól húzható Ellenállása független a külső nyomástól Igen stabil Hiszterézise gyakorlatilag nincs. , ahol: „Rϑ” a hőmérő ellenállása ϑ°C - nál, „R0” a hőmérő ellenállása 0°C - nál, „A” és „B” állandók.

Automatikai építőelemek 4. Nyúlásmérő átalakítók, vagy tenzoellenállások Fém ellenállás hőmérők Platina ellenállás-hőmérő Ez a másodfokú egyenlet 0 °C alatti használatra egy harmadfokú taggal bővül ki. , Az állandók értékei nagy tisztaságú platina esetén megkö-zelítőleg az alábbi értékek: A = 3,98 .10-3, B= - 5,9 .10-7, C = - 4,3 .10-12. A platina hőmérőt -190...1500 ° C tartományban használják. Az ellenállás változása 100 ° C-ra kb 40%, ellenállása 0 C ° -on 100 ohm. Előnye, hogy lineáris karakterisztikával rendelkezik.

Automatikai építőelemek 4. Nyúlásmérő átalakítók, vagy tenzoellenállások Fém ellenállás hőmérők Nikkel ellenállás-hőmérő A drága platina pótlására legalkalmasabb a nikkel. A korrózióval szemben ellenálló, de a platina minőségét nem éri el. Különösen savgőzökkel, ammóniákkal szemben érzékeny. - Olvadáspontja elég magas, de már 300…350 °C Ellenálláshőmérők szerkezeti kialakítása körül fellépnek maradó változások Elektromos ellenállásban. – 100 °C…+300 °C között alkalmazható hőmérőként, azonban csak lényegesen szűkebb tartományban tekinthető megbízhatónak. A szabvány – 60…+150 °C között engedélyezi használatát, 180 °C-ig pedig csak igen rövid ideig tartó mérésekhez. Az ellenállás-változása 100 ° C - ra kb. 60 % - nyi. Ellenállása 0 ° C-on 100 ohm. Előnye a platinához képest, hogy olcsóbb és a hőmérsékleti együtthatója nagyobb, hátránya viszont, hogy karakterisztikája nemlineáris. ,

Automatikai építőelemek 4. Nyúlásmérő átalakítók, vagy tenzoellenállások Fém ellenállás hőmérők Nikkel ellenállás-hőmérő Ellenálláshőmérők szerkezeti kialakítása Hőmérséklettényezője a legmagasabb a hőérzékelőként alkalmazott fémek között, 6,17.10-3 ± 0,007.10-3. Mint karbonil-nikkel, igen tisztán előállítható. A szennyeződések erősen befolyásolják villamos vezetőképességét. Ezért az „α” egyes huzalgyártmányoknál 5,4…6,7.10-3 értékeket is elérheti. ,

Automatikai építőelemek 4. Nyúlásmérő átalakítók, vagy tenzoellenállások Fém ellenállás hőmérők Réz ellenállás hőmérő - Mérési tartománya 0..150 ° C tehát az előzőekhez képest szűk. - Az ellenállás változás 100 ° C hatására kb. 40%. - Ellenállása 0 ° C-on 10 ohm. Előnye, hogy olcsó és lineáris karakterisztikával rendelkezik, hátránya, hogy magas hőfokon nem használható, Kis értékű ellenállások készíthetők belőle Fajlagos ellenállása kicsi és csak oxi- dálódik. , A fémellenállás hőmérők szerkezeti kialakítására mutat példát

Automatikai építőelemek 4. Nyúlásmérő átalakítók, vagy tenzoellenállások Fém ellenállás hőmérők A fém ellenállás-hőmérők, közös tulajdonságaik: - Pontosság: ipari méréseknél 0,5...1,0 % , precíziós mérésnél 0,05 % - Időállandók: 0,05 sec...néhány perc, a szerkezettől függően. - Maximális áram: 10mA. Ha túl nagy az áram, akkor az melegíti a platinaszálat, ezért korrekciót kell végrehajtani a következő módon: I1 áram esetén a mért hőmérséklet ϑ1 (théta) I2 áram esetén a mért hőmérséklet ϑ2 Ezzel a tényleges hőmérséklet: , A fém ellenállás hőmérők Előnyei: - a jó mérési pontosság, - lineáris karakterisztika, - jó mechanikai ellenálló képesség, Hátránya: a viszonylag nagy mérete és az, hogy segédenergiát igényel.