Динамические измерения. Проблемы динамических измерений. Входные сигналы и измеряемые величины. Погрешности динамических измерений, страница 21

.

Сила, действующая на элемент с жёсткостью , находится по формуле:

и её можно рассматривать как возбуждающую, приложенную к массе .

Колебательная система градировки машин должна обладать высокой добротностью для того, чтобы сила  была во много раз меньше инерционной силы от движения массы . Учитывая это, усилие, прикладываемое к градируемым ТДПС принимается равным:

,

где  - собственная частота колебаний системы по первой форме,  - ускорение массы .

Находить инерционную силу от движения массы  через её ускорение бессмысленно, так как измерить это ускорение, например для пьезокварцевого акселерометра, можно с погрешностью в несколько процентов, а погрешность акселерометра с пластиной из пьезокерамики достигает 15%. Таким образом, определять  целесообразно путём измерения массы , амплитуды её колебаний  и частоты .

Погрешность измерения массы  на образцовых весах не превышает нескольких тысячных долей процента. Частота колебаний  может быть установлена с такой же высокой точностью. Погрешность измерения амплитуды  при использовании современных оптических методов и лазерных источников излучения составляет доли длины волны. Приэтом относительная погрешность не более 0,1%. Учитывая, что , усилие  можно измерить с погрешностью 5% по деформации элемента жёсткости . При добротности колебаний системы градировки машины от 50 до 100  составляет приблизительно 1-2% от . Следовательно, погрешность определения поправки на величину , отнесенная к , не превышает 0,05-1%. Таким образом, среднеквадратичная погрешность определения переменной силы, действующей на градировочный или поверяемый ТДПС, составляет всего 0,15-0,2%  и зависит в основном от погрешности измерения амплитуды колебаний инерционной массы . Этот способ положен в основу создания образцовых установок для воспроизведения переменных гармонических сил.

Учитывая, что повышение добротности колебательной системы градировочной установки ведёт к снижению погрешности воспроизведения переменной гармонической силы. Целесообразно упрощать систему, уменьшая до минимума число соединений и деформирующихся элементов. С этой точки зрения, по сравнению с другими конструкциями, оптимальной является градировочная установка, содержащая всего два различных по величине и свободно подвешенных к станине инерционных массы, где к большей прикрепляется упругий элемент градируемого ТДПС, а меньшая соединяется с резонирующим упругим элементом. Возбудитель колебаний расположен на станине, несущей подвесы массы и покоящейся на опорах, например, пружинах. Меньшая масса может быть выполнена в виде основания с плотно прикреплёнными сменными грузами. Схема колебательной системы этой установки имеет вид:

На схеме  и  - большая и меньшая инерционные массы,  - упругий элемент градируемых ТДПС,  - приведенная масса захватов на упругом элементе ТДПС и резонирующем элементе, обладающем жёсткостью . Должны выполняться следующие условия:

,

.

Поскольку амплитуда колебаний инерционных масс обратно пропорциональна их значениям, то узел колебаний будет находиться весьма близко к , то есть к основанию ТДПС, что приводит к высокой точности градировки, так как при этих условиях, во-первых, обеспечивается однородность например состояния упругого элемента ТДПС и, во-вторых, условия градировки максимального приближения к условиям реальной работы ТДПС.

Возбуждать колебания можно как со стороны массы , так и со стороны . При возбуждении со стороны массы сила, приложенная к градировочному ТДПС равна:

.

При возбуждении со стороны  парциальная система из резонирующего элемента и  может рассматриваться как динамический демпфер колебаний . При этом сила, приложенная к градировочному ТДПС равна:

.

Возбуждение колебаний со стороны массы  требует внесения поправок на величину возбуждаемой силы, так как, независимо от природы сил сопротивления,   происходит определённое рассеивание энергии. Силы, непосредственно приложенные к градировочному ТДПС равны сумме сил: инерционной силы от движения массы  и возбуждаемой силы. Так как векторы инерционной и возбуждаемой сил при резонансе сдвинуты на , то переменная сила, прикладываемая к градировочным ТДПС равна среднеквадратическому из инерционной силы, возникающей при движении инерционной массы и силы, развиваемой возбудителем колебания.

.

В качестве возбудителя используется электронно-динамический возбудитель колебания, имеющий линейную зависимость между током возбуждения и развиваемой переменной силой. Подвижную катушку возбудителя соединяют непосредственно с инерционной массой и включают в её цепь измеритель переменного тока, проградуированный в единицах возбуждаемой силы. Максимальное переменное усилие может быть не более 4% от воспроизводимого усилия. Конструктивно нетрудно осуществить октавное деление внутри диапазона рабочих частот градировочной установки от 20 до 640 герц. Этот способ воспроизведения переменной силы позволяет создавать установки образцовой меры гармонической переменной силы с частотами до нескольких сотен герц и погрешностью (0,2-0,3)%.

Экспериментальное рассмотрение колебательных систем показало, что они обладают рядом недостатков, к которым относятся:

ü  дискретность и ограниченность частотного диапазона, не обеспечивающая определение всей АЧХ;

ü  ограниченность амплитудного диапазона, не позволяющая получить полностью амплитудную характеристику;

ü  необходимость перестройки систем воспроизведения силы, что может привести к дополнительной погрешности.

Недостатки колебательных систем и невозможность в настоящее время реализовать воспроизведение гармонической силы с желаемой точностью вынуждают использовать второй метод определения динамической характеристики ТДПС. Теоретический и экспериментальный анализы характеристик преобразования и осциллограмм откликов ТДПС на импульсное воздействие позволяет рассматривать их как линейные звенья и определять динамические характеристики по реакции на импульсное воздействие. В этом случае градуировка  осуществляется в четыре этапа:

·  определение статической характеристики преобразования,