PL238220B1

PL238220B1 - Polimerowa belka pomiarowa

Info

Publication number: PL238220B1
Application number: PL413709A
Authority: PL
Inventors: Piotr ŻACH; Piotr Żach; Marek JACH; Marek Jach
Original assignee: Megaterm Plus Spolka Z Ograniczona Odpowiedzialnoscia
Priority date: 2015-08-27
Filing date: 2015-08-27
Publication date: 2021-07-26
Also published as: US10663359B2; US20180292273A1; EP3341694A1; PL413709A1; WO2017034424A1

Abstract

Polimerowa belka pomiarowa zawierająca rdzeń (1) z kształtowym koncentratorem naprężeń (2) o cylindrycznych powierzchniach ograniczających oraz układy pomiarowe lub ich elementy, umieszczone w obszarze największych naprężeń i w sposób jednorodny zespolone z materiałem rdzenia belki, przy czym rdzeń belki wykonany jest z polimerowego materiału termoplastycznego lub z polimerowego materiału duroplastycznego: termoutwardzalnego lub chemoutwardzalnego, charakteryzuje się tym, że koncentrator naprężeń w przekroju wzdłużnym belki ma kształt opisany co najmniej jednym okręgiem lub co najmniej jedną krzywą zamkniętą, symetryczną lub asymetryczną względem osi pionowej lub poziomej lokalnego układu współrzędnych koncentratora, której kształt ograniczono dwiema liniami narzucającymi warunek zbieżności w kierunku przeciwnym do pożądanego gradientu przyrostu naprężeń wzdłuż osi belki, przy czym tak ukształtowany koncentrator naprężeń może być usytuowany symetrycznie lub asymetrycznie względem pionowej lub poziomej osi belki.

Description

Przedmiotem wynalazku jest polimerowa belka pomiarowa przeznaczona do stosowania w przemysłowych układach pomiarowych wielkości fizycznych. Układ pomiarowy zbudowany w oparciu o element belkowy umożliwia realizację pomiarów między innymi takich jak: siła, ciśnienie, moment obrotowy, przemieszczenie, natężenie przepływu, drogę oraz analizę zjawisk w ośrodkach ciągłych w stanie ustalonym i zaburzonej równowagi. Belka pomiarowa, w szczególności przeznaczona jest do stosowania w urządzeniach wagowych.

W stanie techniki znane są belki tensometryczne wykonane z metalu, głównie ze stali, na powierzchni których zamocowane są elementy tensometryczne pojedynczo lub w określonym układzie elektrycznym. Elementy tensometryczne mocowane są mechanicznie i połączone z powierzchnią badanego elementu przy zastosowaniu technik klejenia. Stosuje się kleje specjalne: samoutwardzalne na przykład nitrocelulozowe (aceton) lub polimeryzujące na przykład bakelitowo-fenolowe, typu cyjanopan lub inne. Jakość przyklejenia czujnika tensometrycznego do podłoża ma decydujący wpływ na dokładność pomiaru. Z tego względu dobierane są różne mieszanki klejów w zależności od warunków pomiaru i rodzaju materiału rdzenia belki. Na powierzchniach chropowatych, stosuje się przykładowo, takie metody jak naklejanie czujników na paski stalowe, a następnie ich przylutowywanie lub zgrzewanie do powierzchni belki.

Znane są również techniki przyklejania elementów tensometrycznych, polegające na łączeniu ze sobą różnego rodzaju klejów, a także polegające na stosowaniu dodatkowej warstwy kleju pokrywającej z zewnątrz czujniki, która to warstwa tworzy dodatkową powłokę zabezpieczającą.

Wszystkie wymienione metody zmierzają do ciągłej poprawy jakości połączenia klejowego na styku elementów tensometrycznych z belką, celem uzyskania możliwie największej dokładności i powtarzalności pomiaru. W praktyce jednak wyniki nie są w pełni zadawalające. Problemem jest trwałość takich połączeń klejowych. Po pewnym czasie bowiem, tensometryczne układy pomiarowe ulegają rozwarstwieniu, odklejeniu lub delaminacji.

Kształt belki tensometrycznej, stale jest udoskonalany i może być różny w zależności od typu belki i klasy realizowanych pomiarów. Trzeba podkreślić, że możliwości obróbki metalu w celu uzyskania optymalnego kształtu, w szczególności kształtu wycięć wewnętrznych, tak zwanego koncentratora naprężeń, są ograniczone i przekładają się bezpośrednio na czas obróbki, złożoność operacji i koszty wytworzenia.

Z opisu patentowego PL218144 znana jest belka tensometryczna wyposażona w tensometryczne układy pomiarowe, która charakteryzuje się tym, że wykonana jest z polimerowego materiału termoplastycznego lub polimerowego materiału duroplastycznego termoutwardzalnego lub chemoutwardzalnego, przy czym tensometryczne układy pomiarowe umieszczone w obszarze największych naprężeń są jednolicie zespolone z materiałem belki polimerowej.

Z kolei ze zgłoszenia polskiego opisu patentowego P.398264 znana jest polimerowa belka pomiarowa, która charakteryzuje się tym, że zawiera optoelektroniczne układy pomiarowe lub ich elementy umieszczone w strefie największych naprężeń.

W dotychczasowym stanie techniki zarówno w belkach pomiarowych metalowych jak i w belkach pomiarowych polimerowych koncentrator naprężeń, charakteryzował się symetrią względem osi pionowej i poziomej lokalnego układu współrzędnych związanego z koncentratorem i umieszczony był tak, aby środek lokalnego układu współrzędnych związanego z koncentratorem był tożsamy ze środkiem układu współrzędnych elementu belkowego. Kształt ten był zbliżony do prostokąta o zaokrąglonych narożach. Kształt ten wynikał głównie z technologii wytwarzania, polegającej na wierceniu lub frezowaniu otworów w belce, która to metoda w przypadku metali była najbardziej ekonomicznie uzasadniona. W przypadku polimerów kształt ten został powielony, ponieważ nie rozważano wpływu kształtu i położenia koncentratora naprężeń na możliwości zmiany elementu pomiarowego i jego aplikacji. Kształt koncentratora naprężeń dobierany był również pod kątem sztywności belki. Dlatego rozmieszczenie koncentratora naprężeń jak i jego kształt zachowywały układ symetrii.

W znanych rozwiązaniach wskazano wprawdzie na możliwość doboru kształtu koncentratora naprężeń techniką komputerową, ale w dalszym ciągu nie zmieniono jego kształtu, ponieważ w stanie techniki brak było informacji na temat oddziaływania kształtu koncentratora naprężeń na dokładność pomiaru.

Znane są również elementy pomiarowe zawierające układy tensometryczne oraz elementy optoelektroniczne, nie będące elementami pomiarowymi belkowymi.

PL 238 220 B1

Celem wynalazku jest modyfikacja geometrii polimerowej belki pomiarowej będącej funkcją parametryczną wielkości mierzonych, pod kątem modyfikacji kształtu koncentratora naprężeń, w celu dalszej poprawy dokładności pomiaru.

Polimerowa belka pomiarowa zawierająca rdzeń z kształtowym koncentratorem naprężeń o cylindrycznych powierzchniach ograniczających oraz układy pomiarowe lub ich elementy umieszczone w obszarze największych naprężeń i w sposób jednorodny zespolone z materiałem rdzenia belki, przy czym rdzeń belki wykonany jest z polimerowego materiału termoplastycznego lub z polimerowego materiału duroplastycznego: termoutwardzalnego lub chemoutwardzalnego, według wynalazku charakteryzuje się tym, że w przekroju wzdłużnym belki koncentrator naprężeń ma kształt opisany co najmniej jednym okręgiem lub co najmniej jedną krzywą zamkniętą korzystnie o kształcie elipsy lub kropli lub sercowym lub utworzonym przez układ krzywych zamkniętych, które stanowią kombinację wymienionych kształtów, przy czym krzywa zamknięta jest symetryczna lub asymetryczna względem osi pionowej lub poziomej lokalnego układu współrzędnych koncentratora naprężeń, zaś kształt krzywej zamkniętej ograniczono dwiema liniami narzucającymi warunek zbieżności w kierunku przeciwnym do pożądanego gradientu przyrostu naprężeń wzdłuż osi belki, a tak ukształtowany koncentrator naprężeń może być usytuowany symetrycznie lub asymetrycznie względem pionowej lub poziomej osi belki.

Nieoczekiwanie okazało się, że kształt koncentratora naprężeń zbliżony do obrysu kropli ma istotny wpływ na założenia i dokładność pomiaru, w których stosuje się belki pomiarowe, bowiem zapewnia modulowany przyrost gradientu naprężeń na długim odcinku pomiarowym, a jednocześnie poprawia sztywność belki. Z kolei zmiana położenia koncentratora naprężeń względem osi belki umożliwia dostosowanie właściwości elementu pomiarowego w szczególności sztywności do konkretnych zastosowań. Podobne zastosowanie ma zmiana kształtu koncentratora względem układu własnych osi. Dodatkowo rozwiązanie według wynalazku zapewnia rozszerzenie typoszeregu rozwiązań elementów pomiarowych poprzez uzyskanie pożądanej sztywności, która może mieć przełożenie na dokładność pomiaru. Ma to zastosowanie szczególnie w urządzeniach wagowych zarówno laboratoryjnych (klasa dokładności 5) jak i wielkogabarytowych (klasa dokładności 3).

Wynalazek w przykładach wykonania został pokazany na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia belkę pomiarową w pierwszym przykładzie wykonania, z koncentratorem naprężeń, którego powierzchnie ograniczające w przekroju wzdłużnym mają kształt okręgu, przy czym koncentrator usytuowany jest w osi belki, fig. 2 przedstawia wykres naprężeń dla belki pomiarowej przedstawionej na fig. 1 w funkcji długości belki, fig. 3 przedstawia belkę pomiarową jak w przykładzie pierwszym, przy czym koncentrator naprężeń usytuowany jest z prawej strony pionowej osi symetrii belki, fig. 4 przedstawia wykres naprężeń dla tego przypadku, fig. 5 przedstawia belkę pomiarową jak w przykładzie pierwszym, przy czym koncentrator naprężeń usytuowany jest z lewej strony pionowej osi symetrii belki, fig. 6 przedstawia wykres naprężeń dla tego przypadku, fig. 7 przedstawia belkę pomiarową o kształcie koncentratora jak w przykładzie pierwszym, przy czym koncentrator naprężeń usytuowany jest powyżej poziomej osi belki, fig. 8 przedstawia wykres naprężeń dla tego przypadku, fig. 9 przedstawia belkę pomiarową z koncentratorem naprężeń o kształcie jak w przykładzie pierwszym, przy czym koncentrator usytuowany jest poniżej poziomej osi symetrii belki, fig. 10 przedstawia wykres naprężeń dla tego przypadku, fig. 11 przedstawia belkę pomiarową z koncentratorem naprężeń o kształcie jak w przykładzie pierwszym i przesuniętym w prawo względem osi pionowej belki i w dół względem osi poziomej belki fig. 12 przedstawia wykres naprężeń dla tego przypadku, fig. 13 przedstawia belkę pomiarową w kolejnym przykładzie wykonania, z koncentratorem naprężeń, którego powierzchnie ograniczające w przekroju wzdłużnym mają kształt elipsy, przy czym koncentrator usytuowany jest w osiach belki pionowo, fig. 14 przedstawia wykres naprężeń dla tego przypadku, fig. 15 przedstawia belkę pomiarową z koncentratorem naprężeń w kształcie elipsy usytuowanym w osiach belki poziomo, fig. 16 przedstawia wykres naprężeń dla tego przypadku, fig. 17 przedstawia belkę pomiarową z koncentratorem naprężeń w kształcie kropli, fig. 18 przedstawia wykres naprężeń dla tego przypadku, fig. 19 przedstawia belkę pomiarową z koncentratorem naprężeń, którego powierzchnie ograniczające w przekroju wzdłużnym mają kształt sercowy, fig. 20 przedstawia wykres naprężeń dla tego przypadku fig. 21 przedstawia belkę pomiarową z koncentratorem naprężeń w kształcie sercowym z dużym wcięciem wydłuż osi poziomej, fig. 22 przedstawia wykres naprężeń dla tego przypadku, zaś fig. 23 przedstawia belkę pomiarową z układem krzywych zamkniętych, z których każda w obrysie ma postać okręgu o zróżnicowanej średnicy.

Polimerowa belka pomiarowa pokazana została poniżej w przykładach wykonania, przy czym każda z belek wykonana została z polieteroketonu dla obciążenia wynoszącego do 3000 N.

PL 238 220 B1

Każdą z polimerowych belek pomiarowych według wynalazku przebadano przy zastosowaniu systemu wytworzonego w oparciu o wielokanałową kartę pomiarową ośmiokanałową działającą pod kontrolą komputera klasy PC, pozwalającą na realizację pomiarów z krokiem próbkowania 10 ms. Układ został wyposażony w system czujników m.in. do pomiaru: siły - umożliwiający aktualny, niezależny od urządzenia wymuszającego pomiar obciążenia badanego elementu, przemieszczeń - pozwalający na realizację pomiaru przemieszczenia badanego elementu. Układem roboczym była maszyna wytrzymałościowa. Wszystkie mierzone sygnały tj.: badany element - polimerową belkę pomiarową, czujnik siły, czujnik przemieszczeń, realizację ruchów układu roboczego podłączono poprzez mostek pomiarowy do karty pomiarowej.

Wykorzystując procedury badawcze i program sterujący układu roboczego wykonano badania doświadczalne belek wzorcowych. Badania zrealizowano dla obciążeń siłą statyczną: 500 N, 1000 N, 1500 N, 2000 N, 2500 N, 3000 N.

P r z y k ł a d 1

Polimerowa belka pomiarowa, ma postać rdzenia 1 wykonanego z polieteroketonu, który to rdzeń 1 ma kształt zbliżony do prostopadłościanu o wymiarach 130 x 32 x 30 (długość x wysokość x szerokość). W centralnej części rdzenia 1 belki usytuowany jest kształtowy koncentrator naprężeń 2, o cylindrycznych powierzchniach ograniczających, które w przekroju wzdłużnym belki mają kształt okręgu - fig. 1. Osie lokalnego układu współrzędnych koncentratora naprężeń 2 pokrywają się z osiami układu współrzędnych rdzenia 1 belki pomiarowej. Na powierzchni belki usytuowany jest tensometryczny układ pomiarowy 6, ale w innych przykładach wykonania może być również zastosowany układ pomiarowy optoelektroniczny lub układ pomiarowy wykonany z materiału polimerowego innego niż materiał rdzenia 1 belki i reagującego na laserowy czytnik układu optoelektronicznego, przy czym każdy z tych układów umieszczony został w obszarze największych naprężeń i w sposób jednorodny zespolony z materiałem rdzenia 1 belki. Dodatkowo w rdzeniu 1 polimerowej belki pomiarowej wykonane są typowe otwory montażowe 3, podcięcia technologiczne 4 oraz wyprowadzenie przewodów sygnałowych 5.

Polimerową belkę pomiarową według wynalazku przebadano w całym zakresie pomiarowym tj. od 0 do 1000 N, otrzymując wykres rozkładu naprężeń przedstawiony na fig. 2.

Polimerowa belka pomiarowa przedstawiona w przykładzie wykonania jest elementem symetrycznym bez wskazania preferowanego położenia roboczego. Jak wynika z wykresu naprężeń, w oparciu o tę belkę może być wytworzony zespół pomiarowy do zastosowań uniwersalnych.

P r z y k ł a d 2

Belka pomiarowa jak w przykładzie pierwszym, o wymiarach 130 x 32 x 30 (długość x wysokość x szerokość) z koncentratorem naprężeń 2 umieszczonym asymetrycznie, o cylindrycznych powierzchniach ograniczających, które w przekroju wzdłużnym belki mają kształt okręgu. Oś pionowa lokalnego układu współrzędnych koncentratora naprężeń 2 nie pokrywają się z osią układu współrzędnych rdzenia 1 elementu belkowego - fig. 3 i fig. 5. Na powierzchni belki usytuowany jest tensometryczny układ pomiarowy 6, ale w innych przykładach wykonania może być również zastosowany układ pomiarowy optoelektroniczny lub układ pomiarowy wykonany z materiału polimerowego innego niż materiał rdzenia 1 belki i reagującego na laserowy czytnik układu optoelektronicznego, przy czym każdy z tych układów umieszczony został w obszarze największych naprężeń i w sposób jednorodny zespolony z materiałem rdzenia 1 belki. Dodatkowo w rdzeniu 1 polimerowej belki pomiarowej wykonane są typowe otwory montażowe 3, podcięcia technologiczne 4 oraz wyprowadzenie przewodów sygnałowych 5.

Polimerową belkę pomiarową według wynalazku przebadano w całym zakresie pomiarowym tj. od 0 do 1000 N, otrzymując wykres rozkładu naprężeń przedstawiony na fig. 4 i fig. 6.

Polimerowa belka pomiarowa przedstawiona w przykładzie wykonania jest elementem asymetrycznym ze zdeterminowanym położeniem roboczym. Jak wynika z wykresów naprężeń, w oparciu o tę belkę może być wytworzony zespół pomiarowy o cechach szczególnych. Przykład rozwiązania przedstawiony na fig. 3 charakteryzuje się większą sztywnością i dłuższym obszarem o zbliżonym gradiencie naprężeń niż przedstawiony na fig. 5, z wyraźnie narastającym poziomem naprężeń w części wstępującej. Przykład rozwiązania przedstawiony na fig. 5 charakteryzuje się stopniowym wzrostem naprężeń, z krótką strefą o podwyższonym poziomie naprężeń. Rozwiązanie wskazane na fig. 5 umożliwia uzyskanie większych dokładności pomiarów.

PL 238 220 B1

P r z y k ł a d 3

Belka pomiarowa jak w przykładzie pierwszym, o wymiarach 130 x 32 x 30 (długość x wysokość x szerokość) z koncentratorem naprężeń 2 umieszczonym asymetrycznie, o cylindrycznych powierzchniach ograniczających, które w przekroju wzdłużnym belki mają kształt okręgu. Oś pozioma lokalnego układu współrzędnych koncentratora naprężeń 2 nie pokrywają się z osią układu współrzędnych rdzenia 1 elementu belkowego - fig. 7 i fig. 9. Na powierzchni belki usytuowany jest tensometryczny układ pomiarowy 6, ale w innych przykładach wykonania może być również zastosowany układ pomiarowy optoelektroniczny lub układ pomiarowy wykonany z materiału polimerowego innego niż materiał rdzenia 1 belki i reagującego na laserowy czytnik układu optoelektronicznego, przy czym każdy z tych układów umieszczony został w obszarze największych naprężeń i w sposób jednorodny zespolony z materiałem rdzenia 1 belki. Dodatkowo w rdzeniu 1 polimerowej belki pomiarowej wykonane są typowe otwory montażowe 3, podcięcia technologiczne 4 oraz wyprowadzenie przewodów sygnałowych 5.

Polimerową belkę pomiarową według wynalazku przebadano w całym zakresie pomiarowym tj. od 0 do 1000 N, otrzymując wykres rozkładu naprężeń przedstawiony na fig. 8 i fig. 10.

Polimerowa belka pomiarowa przedstawiona w przykładzie wykonania jest elementem asymetrycznym ze zdeterminowanym położeniem roboczym. Jak wynika z wykresów naprężeń, w oparciu o tę belkę może być wytworzony zespół pomiarowy o cechach szczególnych. Przykład rozwiązania przedstawiony na fig. 7 charakteryzuje się dużymi poziomami osiąganych naprężeń, przy czym gradienty naprężeń cechuje zbocze silnie narastające (opadające) na krótkim odcinku. Rozwiązanie przedstawione w przykładzie rozwiązania na fig. 9 charakteryzuje się stopniowym narastaniem i zmniejszaniem naprężeń, z wyraźną strefą o podwyższonym poziomie naprężeń, zdecydowanie dłuższą niż w przykładzie 7. Poziomy osiąganych naprężeń są około trzykrotnie mniejsze. Rozkłady naprężeń w omawianych rozwiązaniach posiadają ekstremum w osi elementu belkowego. Rozwiązania powyższe umożliwiają dostosowanie elementu pomiarowego do warunków pomiarów (pożądanych poziomów naprężeń), wpływanie na wielkość obszarów pomiarowych oraz identyfikację zachowania się układów, wraz z oceną zjawisk np.: rozciągania i ściskania.

P r z y k ł a d 4

Belka pomiarowa jak w przykładzie pierwszym, o wymiarach 130 x 32 x 30 (długość x wysokość x szerokość) z koncentratorem naprężeń 2 umieszczonym asymetrycznie, o cylindrycznych powierzchniach ograniczających, które w przekroju wzdłużnym belki mają kształt okręgu. Oś pionowa i pozioma lokalnego układu współrzędnych koncentratora naprężeń 2 nie pokrywają się z osią układu współrzędnych rdzenia 1 elementu belkowego - fig. 11. Na powierzchni belki usytuowany jest tensometryczny układ pomiarowy 6, ale w innych przykładach wykonania może być również zastosowany układ pomiarowy optoelektroniczny lub układ pomiarowy wykonany z materiału polimerowego innego niż materiał rdzenia 1 belki i reagującego na laserowy czytnik układu optoelektronicznego, przy czym każdy z tych układów umieszczony został w obszarze największych naprężeń i w sposób jednorodny zespolony z materiałem rdzenia 1 belki. Dodatkowo w rdzeniu 1 polimerowej belki pomiarowej wykonane są typowe otwory montażowe 3, podcięcia technologiczne 4 oraz wyprowadzenie przewodów sygnałowych 5.

Polimerową belkę pomiarową według wynalazku przebadano w całym zakresie pomiarowym tj. od 0 do 1000 N, otrzymując wykres rozkładu naprężeń przedstawiony na fig. 12.

Polimerowa belka pomiarowa przedstawiona w przykładzie wykonania jest elementem asymetrycznym ze zdeterminowanym położeniem roboczym. Jak wynika z wykresów naprężeń, w oparciu o tę belkę może być wytworzony zespół pomiarowy o cechach szczególnych.

P r z y k ł a d 5

Belka pomiarowa jak w przykładzie pierwszym, o wymiarach 130 x 32 x 30 (długość x wysokość x szerokość) z koncentratorem naprężeń 2, o cylindrycznych powierzchniach ograniczających, które w przekroju wzdłużnym belki mają kształt elipsy - fig. 13. Osie lokalnego układu współrzędnych koncentratora naprężeń 2 pokrywają się z osiami układu współrzędnych rdzenia 1 belki pomiarowej przy czym wskazano kierunek preferowany wyznaczony przez dłuższą przekątną elipsy. Na powierzchni belki usytuowany jest tensometryczny układ pomiarowy 6, ale w innych przykładach wykonania może być również zastosowany układ pomiarowy optoelektroniczny lub układ pomiarowy wykonany z materiału polimerowego innego niż materiał rdzenia 1 belki i reagującego na laserowy czytnik układu optoelektronicznego, przy czym każdy z tych układów umieszczony został w obszarze największych naprężeń i w sposób jednorodny zespolony z materiałem rdzenia 1 belki. Dodatkowo w rdzeniu 1 polimerowej

PL 238 220 B1 belki pomiarowej wykonane są typowe otwory montażowe 3, podcięcia technologiczne 4 oraz wyprowadzenie przewodów sygnałowych 5.

Polimerową belkę pomiarową według wynalazku przebadano w całym zakresie pomiarowym tj. od 0 do 1000 N, otrzymując wykres rozkładu naprężeń przedstawiony na fig. 14.

Polimerowa belka pomiarowa przedstawiona w przykładzie wykonania jest elementem symetrycznym bez wskazania preferowanego położenia roboczego. Jak wynika z wykresu naprężeń, w oparciu o tę belkę może być wytworzony zespół pomiarowy o cechach szczególnych. Przykład rozwiązania przedstawiony na fig. 7 charakteryzuje się dużymi poziomami osiąganych naprężeń, przy czym gradienty naprężeń cechuje pionowo narastające zbocze, zmniejszanie poziomu naprężeń ma zdecydowanie łagodniejszy przebieg. Występuje wyraźne ekstremum, osiągany poziom naprężeń jest ponad dwukrotnie wyższy niż w przykładzie 6. Pomiar musi być zrealizowany na krótkim odcinku. Rozwiązanie dedykowane jest zespołom pomiarowym, w których głównym kryterium jest dokładność wskazań.

P r z y k ł a d 6

Belka pomiarowa jak w przykładzie pierwszym, o wymiarach 130 x 32 x 30 (długość x wysokość x szerokość) z koncentratorem naprężeń 2, o cylindrycznych powierzchniach ograniczających, które w przekroju wzdłużnym belki mają kształt elipsy - fig. 15. Osie lokalnego układu współrzędnych koncentratora naprężeń 2 pokrywają się z osiami układu współrzędnych rdzenia 1 belki pomiarowej. Na powierzchni belki usytuowany jest tensometryczny układ pomiarowy 6, ale w innych przykładach wykonania może być również zastosowany układ pomiarowy optoelektroniczny lub układ pomiarowy wykonany z materiału polimerowego innego niż materiał rdzenia 1 belki i reagującego na laserowy czytnik układu optoelektronicznego, przy czym każdy z tych układów umieszczony został w obszarze największych naprężeń i w sposób jednorodny zespolony z materiałem rdzenia 1 belki. Dodatkowo w rdzeniu 1 polimerowej belki pomiarowej wykonane są typowe otwory montażowe 3, podcięcia technologiczne 4 oraz wyprowadzenie przewodów sygnałowych 5.

Polimerową belkę pomiarową według wynalazku przebadano w całym zakresie pomiarowym tj. od 0 do 1000 N, otrzymując wykres rozkładu naprężeń przedstawiony na fig. 16.

Rozwiązanie przedstawione w przykładzie rozwiązania na fig. 15 charakteryzuje się stopniowym narastaniem i zmniejszaniem naprężeń, przy czy zbocze opadające jest na długim odcinku liniowe. Strefa o podwyższonym poziomie naprężeń jest wyraźnie zaznaczona, co jest korzystne w wykonywaniu elementu pomiarowego. Rozwiązanie w przykładzie wykonania dedykowane jest zespołom w przypadku których ważna jest trwałość i niezmienność w czasie pomiarów. Rozwiązanie nie jest wrażliwe na chwilowe przeciążenia.

P r z y k ł a d 7

Polimerowa belka pomiarowa, ma postać rdzenia 1 wykonanego z polieteroketonu, który to rdzeń 1 ma kształt zbliżony do prostopadłościanu o wymiarach 140 x 41 x 30 (długość x wysokość x szerokość). W centralnej części rdzenia 1 belki usytuowany jest kształtowy koncentrator naprężeń 2, o cylindrycznych powierzchniach ograniczających, które w przekroju wzdłużnym belki mają kształt kropli - fig. 17. Kształt koncentratora naprężeń zaprojektowano przy założeniu braku symetrii powierzchni ograniczających: górnej i dolnej względem osi układu współrzędnych elementu belkowego. Przebieg górnej i dolnej krzywej ograniczającej powierzchnie koncentratora naprężeń nie jest tożsamy. W prezentowanym przykładzie rozwiązania fig. 17, pokazano przypadek w którym oś pozioma koncentratora 2 pokrywa się osią poziomą symetrii układu współrzędnych rdzenia 1 belki pomiarowej.

Na powierzchni belki usytuowany jest tensometryczny układ pomiarowy 6, ale w innych przykładach wykonania może być również zastosowany układ pomiarowy optoelektroniczny lub układ pomiarowy wykonany z materiału polimerowego innego niż materiał rdzenia 1 belki i reagującego na laserowy czytnik układu optoelektronicznego, przy czym każdy z tych układów umieszczony został w obszarze największych naprężeń i w sposób jednorodny zespolony z materiałem rdzenia 1 belki. Dodatkowo w rdzeniu 1 polimerowej belki pomiarowej wykonane są typowe otwory montażowe 3, podcięcia technologiczne 4 oraz wyprowadzenie przewodów sygnałowych 5.

Przedstawione rozwiązanie predestynuje wykorzystanie cech szczególnych materiałów polimerowych, w prezentowanym przypadku polieteroketonu. Belka pomiarowa przedstawiona na fig. 17 jest elementem o dedykowanym kierunku pracy, dużej sztywności, do zastosowań specjalnych tj. do budowy układów pomiarowych silnie wytężonych. Opisywany element charakteryzuje się o powiększonym

PL 238 220 B1 obszarem koncentracji naprężeń przesuniętym względem pionowej osi belki, o modulowanym krzywoliniowo zboczu opadającym - ewentualne błędy położenia czujników tensometrycznych czy optoelektronicznych nie wpływają na wynik pomiaru. W rozwiązaniu 7 wyeliminowano ograniczenia konstrukcyjne w postaci krzywizn o małych promieniach wzajemnie stycznych i ich niepożądany wpływ na sztywność i zużycie zmęczeniowe elementu. Opisywany element charakteryzuje się obszarem koncentracji naprężeń zlokalizowanym w okolicy osi pionowej układu współrzędnych rdzenia 1 belki pomiarowej, o modulowanym krzywoliniowo zboczu opadającym - ewentualne błędy położenia czujników tensometrycznych czy optoelektronicznych nie wpływają na wynik pomiaru.

Zaletą przedstawionej w przykładzie wykonania belki pomiarowej oraz belek pomiarowych zbliżonych, spełniających tę koncepcję kształtu jest to, że poprzez zmianę parametrów na przykład długości belki, opisu krzywoliniowych powierzchni ograniczających, przebiegu krzywych ograniczających powierzchnię górną i dolną względem osi poziomej koncentratora, położenia koncentratora względem pionowej osi symetrii elementu, możliwe jest wytworzenie typoszeregu układów belkowych do różnych zastosowań, o pożądanej nośności i długości strefy koncentracji naprężeń.

P r z y k ł a d 8

Polimerowa belka pomiarowa, ma postać rdzenia 1 wykonanego z polieteroketonu, który to rdzeń 1 ma kształt zbliżony do prostopadłościanu o wymiarach 140 x 41 x 30 (długość x wysokość x szerokość). W centralnej części rdzenia 1 belki usytuowany jest kształtowy koncentrator naprężeń 2, o cylindrycznych powierzchniach ograniczających, które w przekroju wzdłużnym mają kształt sercowy bez zagłębienia - fig. 19. Kształt koncentratora naprężeń zaprojektowano przy założeniu braku symetrii powierzchni ograniczających: górnej i dolnej względem osi układu współrzędnych elementu belkowego. Przebieg górnej i dolnej krzywej ograniczającej powierzchnie koncentratora naprężeń nie jest tożsamy. W prezentowanym przykładzie rozwiązania pokazano przypadek w którym oś pionowa koncentratora pokrywa się osią pionową symetrii elementu belkowego. Na powierzchni belki usytuowany jest tensometryczny układ pomiarowy 6, ale w innych przykładach wykonania może być również zastosowany układ pomiarowy optoelektroniczny lub układ pomiarowy wykonany z materiału polimerowego innego niż materiał rdzenia 1 belki i reagującego na laserowy czytnik układu optoelektronicznego, przy czym każdy z tych układów umieszczony został w obszarze największych naprężeń i w sposób jednorodny zespolony z materiałem rdzenia 1 belki. Dodatkowo w rdzeniu 1 polimerowej belki pomiarowej wykonane są typowe otwory montażowe 3, podcięcia technologiczne 4 oraz wyprowadzenie przewodów sygnałowych 5.

Przyjęte rozwiązanie predestynuje wykorzystanie cech szczególnych materiałów polimerowych, w prezentowanym przypadku polieteroketonu. Położenie koncentratora naprężeń definiowane jest wzajemnymi relacjami pomiędzy: poziomą osią układu współrzędnych koncentratora i poziomą osią układu współrzędnych elementu belkowego. Dzięki przyjętemu rozwiązaniu uzyskano belkę pomiarową znamienną tym, że jest elementem: o dedykowanym kierunku pracy, dużej sztywności, do zastosowań specjalnych tj. do budowy układów pomiarowych silnie wytężonych, w oparciu, o który możliwe jest zbudowanie zespołu pomiarowego, do realizacji pomiarów: szybkozmiennych np. 10 Hz, w szerokim spektrum obciążeń. Opisywany element charakteryzuje się powiększonym obszarem koncentracji naprężeń przesuniętym względem pionowej osi belki, o modulowanym krzywoliniowo zboczu opadającym - ewentualne błędy położenia czujników tensometrycznych czy optoelektronicznych nie wpływają na wynik pomiaru.

Zaletą przedstawionej w przykładzie wykonania belki pomiarowej oraz belek pomiarowych zbliżonych, spełniających tę koncepcję kształtu jest to, że poprzez zmianę parametrów np. tj.: długości belki, opisu krzywoliniowych powierzchni ograniczających, przebiegu krzywych ograniczających powierzchnie górną i dolną względem osi poziomej koncentratora, położenia koncentratora względem pionowej osi symetrii elementu, możliwe jest wytworzenie typoszeregu układów belkowych do różnych zastosowań i o pożądanej nośności.

P r z y k ł a d 9

Polimerowa belka pomiarowa, ma postać rdzenia 1 wykonanego z polieteroketonu, który to rdzeń 1 ma kształt zbliżony do prostopadłościanu o wymiarach 160 x 42 x 30 (długość x wysokość x szerokość). W centralnej części rdzenia 1 belki usytuowany jest kształtowy koncentrator naprężeń 2, o cylindrycznych powierzchniach ograniczających, które w przekroju wzdłużnym belki mają kształt sercowy z dużym zagłębieniem wzdłuż osi poziomej okręgu - fig. 21. W prezentowanym przykładzie oś pozioma

PL 238 220 B1 lokalnego układu współrzędnych koncentratora naprężeń 2 pokrywa się z osią poziomą układu współrzędnych rdzenia 1 belki pomiarowej. Kształt koncentratora naprężeń zaprojektowano przy założeniu symetrii powierzchni ograniczających: górnej i dolnej względem osi poziomej elementu belkowego. Na powierzchni belki usytuowany jest tensometryczny układ pomiarowy 6, ale w innych przykładach wykonania może być również zastosowany układ pomiarowy optoelektroniczny lub układ pomiarowy wykonany z materiału polimerowego innego niż materiał rdzenia 1 belki i reagującego na laserowy czytnik układu optoelektronicznego, przy czym każdy z tych układów umieszczony został w obszarze największych naprężeń i w sposób jednorodny zespolony z materiałem rdzenia 1 belki. Dodatkowo w rdzeniu 1 polimerowej belki pomiarowej wykonane są typowe otwory montażowe 3, podcięcia technologiczne 4 oraz wyprowadzenie przewodów sygnałowych 5.

Polimerową belkę pomiarową według wynalazku przebadano w całym zakresie pomiarowym tj. od 0 do 1000 N, otrzymując wykres rozkładu naprężeń przedstawiony na fig. 22.

Przedstawione rozwiązanie jest elementem dedykowanym zespołom pomiarowym o wyróżnionym kierunku pracy, do zastosowań specjalnych to jest do realizacji pomiarów o wysokich dokładnościach, pozwalającym na realizację pomiarów w szerokim spektrum obciążeń, o stosunkowo długim, w pożądanym zakresie prostoliniowym, obszarze koncentracji naprężeń przesuniętym względem pionowej osi belki, o modulowanym krzywoliniowo zboczu opadającym przy czym ewentualne błędy położenia czujników tensometrycznych czy optoelektronicznych nie wpływają na wynik pomiaru.

Zaletą przedstawionej w przykładzie wykonania belki pomiarowej oraz belek pomiarowych zbliżonych, spełniających tę koncepcję kształtu jest to, że poprzez zmianę parametrów przykładowo takich jak długość belki, przebieg krzywoliniowych powierzchni ograniczających, położenie koncentratora względem pionowej osi symetrii elementu, możliwe jest wytworzenie typoszeregu układów belkowych do różnych zastosowań i o pożądanej nośności.

P r z y k ł a d 10

Polimerowa belka pomiarowa, ma postać rdzenia 1 wykonanego z polieteroketonu, który to rdzeń 1 ma kształt zbliżony do prostopadłościanu o wymiarach 160 x 42 x 30 (długość x wysokość x szerokość). W centralnej części rdzenia 1 belki usytuowany jest kształtowy koncentrator naprężeń 2, o cylindrycznych powierzchniach ograniczających, z układem krzywych zamkniętych, z których każda w obrysie ma postać okręgu o zróżnicowanej średnicy - fig. 23. W prezentowanym przykładzie oś pozioma lokalnego układu współrzędnych koncentratora naprężeń 2 pokrywa się z osią poziomą układu współrzędnych rdzenia 1 belki pomiarowej. Kształt koncentratora naprężeń zaprojektowano przy założeniu symetrii powierzchni ograniczających: górnej i dolnej względem osi poziomej elementu belkowego. Na powierzchni belki usytuowany jest tensometryczny układ pomiarowy 6, ale w innych przykładach wykonania może być również zastosowany układ pomiarowy optoelektroniczny lub układ pomiarowy wykonany z materiału polimerowego innego niż materiał rdzenia 1 belki i reagującego na laserowy czytnik układu optoelektronicznego, przy czym każdy z tych układów umieszczony został w obszarze największych naprężeń i w sposób jednorodny zespolony z materiałem rdzenia 1 belki. Dodatkowo w rdzeniu 1 polimerowej belki pomiarowej wykonane są typowe otwory montażowe 3, podcięcia technologiczne 4 oraz wyprowadzenie przewodów sygnałowych 5.

Claims

1. Polimerowa belka pomiarowa zawierająca rdzeń z kształtowym koncentratorem naprężeń o cylindrycznych powierzchniach ograniczających oraz układy pomiarowe lub ich elementy umieszczone w obszarze największych naprężeń i w sposób jednorodny zespolone z materiałem rdzenia belki, przy czym rdzeń belki wykonany jest z polimerowego materiału termoplastycznego lub z polimerowego materiału duroplastycznego: termoutwardzalnego lub chemoutwardzalnego, znamienna tym, że w przekroju wzdłużnym belki (1) koncentrator naprężeń (2) ma kształt opisany co najmniej jednym okręgiem lub co najmniej jedną krzywą zamkniętą korzystnie o kształcie elipsy lub kropli lub sercowym lub utworzonym przez układ krzywych zamkniętych, które stanowią kombinację wymienionych kształtów, przy czym krzywa zamknięta jest symetryczna lub asymetryczna względem osi pionowej lub poziomej lokalnego układu współrzędnych koncentratora naprężeń (2), zaś kształt krzywej zamkniętej ograniczono dwiema liniami narzucającymi warunek zbieżności w kierunku przeciwnym do pożąda

PL 238 220 Β1 nego gradientu przyrostu naprężeń wzdłuż osi belki (1), a tak ukształtowany koncentrator naprężeń (2) może być usytuowany symetrycznie lub asymetrycznie względem pionowej lub poziomej osi belki.