Динамометр (силомер) - прибор, предназначенный для измерения сил. Действие такого прибора основано на том, что упругие деформации пропорциональны прикладываемым силам.

На рис. 109 показан динамометр, используемый в школах при выполнении лабораторных работ по физике. Он состоит из пружины 1, один конец которой прикреплен к основанию 2. К другому концу пружины прикреплена стрелка 3 и проволока 4 с крючком па конце. На основание 2 нанесена шкала 5, пользуясь которой можно определить силу, растягивающую пружину. Отметка «0» на шкале соответствует нерастянутому состоянию пружины. Этот динамометр предназначен для измерения сил в ньютонах. Об атом свидетельствует буква Н (или N) над шкалой.

На шкалы динамометров цифры нанесены только против некоторых штрихов. Как же узнать значения деформирующих пружину сил, если стрелка динамометра не совпадает с оцифрованным штрихом? Для этого нужно прежде всего узнать цену деления шкалы прибора (т. е. на сколько изменяется значение силы, когда стрелка смещается на одно деление – расстояние между двумя соседними штрихами). После этого подсчитывают число делений между двумя соседними оцифрованными штрихами. Например, на рис. 109 между штрихами, около которых стоят цифры 2 и 3, находится 10 делений. Следовательно, цена деления этого динамометра равна (3 – 2) / 10 = 0,1 Н на деление. Стрелка динамометра отстоит на 4 деления от штриха с цифрой 2. Поэтому модуль деформирующих пружину сил равен 2 Н + 4 · 0,1 Н = 2,4 Н.

Найденное значение силы упругости не является истинным. Динамометр, как и всякий прибор, имеет погрешность. В паспорте школьного динамометра, рассчитанного на измерение сил в пределах от 0 до 5 Н, говорится, что погрешность прибора Δ пр = 0,05 Н в любом месте шкалы. С учетом погрешности отсчета, равной Δ о = 0,05, получаем, что общая погрешность Δ = Δ пр + Δ о = 0,10 Н. Следовательно, истинное значение измерешюй силы лежит в промежутке от (2,40 - 0,10) Н = 2,3 Н до (2,40 + 0,10) Н = 2,5 Н. Кратко результат измерения силы можно записать в виде: 2,3 Н ≤ F ≤ 2,5 Н.

На рисунке 110 показан медицинский динамометр для измерения мускульной силы руки при сжатии кисти в кулак. Имеются динамометры (рис. 111), на шкалы которых нанесены деления, позволяющие измерять массу подвешиваемого тела непосредственно в килограммах (или других единицах измерения массы).

Когда динамометр с подвешенным телом покоится относительно Земли, динамометр показывает вес тела. При этом вес тела по модулю пропорционален его массе (P = m · g). Это и позволяет задать цену деления шкалы динамометра в единицах массы, а сам прибор использовать для измерения массы.

Промышленность выпускает динамометры, предназначенные для измерения сил от сотых долей ньютона до нескольких десятков килоньютонов. На рис. 112 показан так называемый тяговый динамометр.

Итоги

Динамометр – прибор для измерения сил.

Принцип действия динамометров основан на однозначной зависимости модуля упругих деформаций от модуля деформирующих сил.

Точность измерения сил определяется погрешностью динамометра, которая указывается в паспорте прибора.

Вопросы

1. Что такое динамометр? На чем основан принцип действия динамометра?
2. Как изготовить простейший динамометр и отградуировать его?
3. Как определить погрешность измерения сил динамометром?

Упражнения

1. Определите массу гири, показанной на рис. 109. Указание: модуль ускорения свободного падения считайте равным 10 м/с 2 . Погрешность динамометра Δ = 0,10 Н.

2. Определите модуль силы, с которой трактор, показанный на рис. 112, тянет прицеп. Указание: погрешность тягового динамометра считайте равной цене деления между соседними штрихами на его шкале.

* 3. На рис. 113 представлен современный цифровой динамометр с подвешенной гирей массой 2 кг. Штатив, на котором закреплен динамометр, стоит на полу лифта. Найдите ускорение лифта в момент фотографирования, если в неподвижном лифте на шкале динамометра были цифры 2,00, а в движущемся – 2,50.

4. Возьмите несколько бытовых динамометров разных конструкций. Определите для каждого прибора пределы измерения и цену деления шкалы. Проведите взвешивание одного и того же тела разными динамометрами. Сравните результаты с учетом погрешности измерений.

5. Приготовьте напольные весы. Установите их в кабине лифта, стоящего на первом этаже, встаньте на них и зафиксируйте показание. Нажмите кнопку верхнего этажа, наблюдайте за изменением показаний весов в моменты, соответствующие: а) началу разгона лифта; б) равномерному движению; в) началу торможения перед остановкой. Объясните причины изменений в показаниях весов. Повторите эксперимент при спуске лифта с верхнего этажа на первый. Сопоставьте результаты экспериментов, объясните различия.

Динамометр электронный – это устройство, предназначенное для того, чтобы измерять силу в аппарате, машине, станке, такие приборы еще называют «силомеры». С их помощью измеряется сила резания и влияние на неё разных факторов, сила тяги, сила крутящего момента в механизмах.

Электронный динамометр – классификация и назначение

Еще в беззаботные школьные годы на уроках физики нам приходилось устраивать опыты с самым простейшим динамометром, когда нужно было измерить силу, с которой удавалось бы сдвинуть с места гирьку или шарик. Однако в строительной индустрии и особенно в тяжелой промышленности аналогичный по действию инструмент имеет более сложное строение и принцип фиксирования и обработки результатов. Давайте попробуем понять, как же устроены различные сложные модели «силомера».

Динамометр более сложного устройства годится для измерения от одного до трех показателей одновременно. Как раз в зависимости от числа измеряемых компонент, различают однокомпонентные, двухкомпонентные и трехкомпонентные устройства. Относительно действия, по принципу которого они работают, различают электрические, гидравлические и механические аппараты . При сверлении, чаще всего, применяют электрический и гидравлический динамометры, потому что они позволяют измерить величину осевой силы и крутящего момента.

Все динамометры имеют сходное устройство. Резец, который фиксируется специальным механизмом, работает синхронно с устройством, распределяющим силу резания на компоненты (один, два или три). Также в конструкции прибора предусмотрены датчики, чтобы силу, которую измеряет динамометр, преобразовывать в показатели. Они как раз и считываются регистрирующим устройством. В качестве показателей выступают силы электрического тока, электрическая емкость, давление жидкости, крутящий момент, и прочее.

Электрические динамометры подразделяются на индукционные, пьезоэлектрические, конденсаторные (ёмкостные) и с проволочными датчиками сопротивления. С помощью таких устройств можно замерить нагрузки при совершении производственных и строительных процессов. Замеры, в результативном виде, выглядят, как запись на осциллограмме. Например, при бурении скважин значение электрического динамометра очень велико – с его помощью отслеживают силу нагрузки во время спуска-подъема колонны.

В основе процессов, на которых работает динамометр сжатия-растяжения, заключен принцип использования упругих деформаций инструмента, вернее, прекращения деформаций после ослабевания воздействия на материал извне. Возникает электрическая энергия, которую трансформируют датчики из малых перемещений частиц (упругих деформаций). Датчики бывают емкостного, пьезоэлектрического, индуктивного, электромагнитного свойства, а также датчик сопротивления (тензорезисторный).

Что умеет электронный динамометр сжатия-растяжения?

Самый распространенный вид электрических динамометров – тензорезисторный. Преимущество именно этого вида приборов заключается в том, что он имеет высокую собственную частоту (несколько килогерц). Также он дает возможность измерений разного рода: и динамических, и статических. Динамический вид измерения предполагает изучение норм и законов, согласно которым совершаются физические процессы в объекте исследования. Статическое измерение предполагает неизменность физической величины во время процесса измерения.

Выше были описаны виды датчиков, которые применяются для работы. Согласно тому, какие датчики используются в конкретном приборе, говорят о предназначении всего устройства. Широко применяемый тензорезисторный динамометр имеет в своей конструкции упругий элемент и тензорезисторные решетки. Нагрузка, которая воздействует на прибор, деформирует их. От этого токи моста сопротивления приходят в разбалансированное состояние и подают сигнал, который записывается вторичным прибором, в котором для этого имеется специальная шкала. Шкала градуируется в единицах силы. Этот вид прибора применяют в промышленности, когда требуется измерить силу сжатия. Также устройство служит для проверки силоизмерительных машин и определения напряжения в образцах.

Индукция и пъезоэлектрический эффект в динамометрах

Индукционный динамометр применяется при испытаниях двигателей мощностью до 966 лошадиных сил. Этот вид прибора тоже электрический и малоинерционный. Охлаждается водой. Принцип действия заключается в создании тормозящего момента за счет действия вихревых токов. В магнитное поле погружен металлический диск, который вращается с определенной скоростью. На нем появляются вихревые токи, которые фиксируются тензодатчиком. Также в конструкцию входит магнитный датчик (датчик с переменным магнитным сопротивлением), который фиксирует, какое количество оборотов совершает диск за минуту.

Пьезоэлектрические динамометры измеряют статические силы. Реакционными элементами являются специальные пластинки, изготовленные из пьезокварца. Пьезокварц применяется потому, что этот минерал имеет соответствующие свойства, создавая прямой и обратный пьезоэффект. В динамометре на поверхности этих пластинок образуется электрический заряд, когда они подвергаются нагрузке. Реакция пластинок зависит от того, какое положение принимают плоскости разреза по отношению к осям кристаллов в зависимости от того, воздействует на них сила сжатия или сдвига.

Пластинки расположены по кругу и зажаты между двумя кольцами, выполненными из стали. К пластинкам присоединён усилитель, который имеет большое сопротивление на входе. Он преобразует заряд в электрическое напряжение. Для снятия заряда между пластинами находятся электроды. При ударе возникает электрический заряд, поэтому пьезокварцевые динамометры применяют для измерения ударных нагрузок, особенно при повышенной температуре.

Это позволяют свойства кварца, который практически не имеет температурной зависимости и обладает высоким удельным электрическим сопротивлением.

Динамометр электрический с проволочными датчиками – секрет работы

Динамометр с проволочными датчиками сопротивления также применяется в промышленности. Особенно широкое применение получил динамометр Б.И. Мухина. Основой прибора является так называемая «лодочка». Это квадратная пластина, которая крепится внутри корпуса прибора на звеньях. Звенья (опоры) упругие, состоят из закаленной стали и имеют форму полых трубок. Они имеют следующую особенность: обладают малой жесткостью относительно вектора, перпендикулярного оси, и высокой жесткостью относительно вектора, параллельного оси.

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.

• Ручной пружинный динамометр устроен так, что сила передается пружинам, они, в свою очередь, будут сжиматься и растягиваться, а направление уже будут создавать приложенные силы. После сжатий и растягиваний на приборе будут видны показатели. Вот они и будут основными величинами, именно их он и регистрирует.
• В рычажных моделях деформация образуется с помощью установленного рычага.

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.

Приборы и устройства, предназначенные для измерения сил или момента, имеют общее название - динамометры (см. на http://tpmarket.ru).

Группа данных технических устройств является достаточно многочисленной, однако их отличает конструкция, разнообразие условий применения и принцип действия. В конструкцию динамометров входит отсчетное устройство и силовое звено (упругий элемент).

Силовым звеном измеряемое усилие преобразуется в деформацию, сообщаемую посредством передачи или непосредственно отсчетному устройству.

Основываясь на принципе действия, различают гидравлические, электронные и механические (рычажные или пружинные) устройства. В некоторых динамометрах применяются сразу несколько различных принципов работы.

В свою очередь по конструктивному исполнению их можно подразделить на механические и электронные приборы.

Научно-технический прогресс преобразует абсолютно все области человеческой деятельности, поэтапно приводя к появлению все новых разновидностей привычных устройств и приборов.

Традиционные механические динамометры с течением времени уступили свое место электронным, в составе которых включены тензодатчик (датчик силы), измерительный индикатор и соединительный провод (радиоканал).

Принцип работы электронного динамометра основывается на деформации тензометрического датчика при воздействии прикладываемой силы, вследствие чего на выходе появляется электрический сигнал, который является прямо пропорциональным сообщенной деформации.

Данные приборы применяются для периодической поверки испытательных машин и стендов в различных отраслях промышленности.

При этом чрезвычайно востребованным является производство динамометров, которые предназначены для прецизионного определения не только медленно изменяющихся, но и статических сил растяжения и сжатия.

Подобный динамометр сжатия и растяжения может быть представлен измерительными приборами СИУ2 и СИУ. Они используются на промышленных предприятиях для самых различных целей: периодической проверки испытательных машин и стендов, для калибровки и поверке, выступая в роли эталонного средства измерений.

В целом на сегодняшний день измерительный динамометр находит свое применение в следующих сферах:

1. Широко используются на всевозможных промышленных предприятиях, где возникает необходимость в различных силовых измерениях;

2. Применяются для осуществления плановых поверок стендов и агрегатов испытательного назначения;

3. Незаменимы при поверке силовых приборов для определения силы 1 и 3 разрядов (как эталонное средство для соответствия ГОСТ 8.065) и во время произведения калибровки.