Szybki, szczególnie w ostatnich latach, postep techniki wylonil potrzebe coraz bardziej doklad¬ nych metod pomiarów sil i odksztalcen. Kla¬ syczne teorie okazaly sie niewystarczajace, a do opracowania nowych staly sie niezbedne eks¬ perymenty przy wykorzystaniu wlasciwej apa¬ ratury pomiarowej. Obecnie pomiar sluzy nie tylko celom naukowym, lecz równiez odgrywa powazna role w kontroli procesów produkcyj¬ nych. Do najbardziej codziennych zjawisk nale zy przynajmniej w skutkach wszystkim znana sila. Powszechne wystepowanie spowodowalo potrzebe okreslenia jej wielkosci, czyli potrzebe mierzenia juz w czasach bardzo dawnych. Za¬ stosowano do tego celu proste urzadzenie, do dzisiaj aktualne, wage, która umozliwiala porów¬ nywanie ze soba ciezarów. Z biegiem czasu wprowadzono do uzytku caly szereg przyrzadów do wyznaczania wielkosci sily lub ciezaru, któ¬ re zaleznie od przeznaczenia maja rózna kon¬ strukcje, ksztalt i wymiary. Systemy dzwignio¬ we przy urzadzeniach wagowych nie nadaja sie *) Wlasciciel patentu oswiadczyl, ze twórcami wy- natezku sa Józef Miksa i Romuald Miksa. na przyklad do mierzenia naciagu lin, czy cecho¬ wania maszyn i odwrotnie. Do pomiarów ostat¬ nich rozpowszechnily sie dynamometry, oparte na sprezystych wlasciwosciach niektórych ma¬ terialów, zwykle stali w postaci sprezyn lub in¬ nego lecz w podobny sposób dzialajacego elemen¬ tu, który odksztalcajac sie pod dzialaniem sily okresla jej wielkosc na wyskalowanym wskazni¬ ku. Gdy pierwotne odksztalcenia sa male, sto¬ suje sie mechaniczna przekladnie w postaci dzwigni lub zebatek w celu zwiekszenia doklad¬ nosci. Ostatnio stosowane sa juz bardziej nowo¬ czesne urzadzenia, pracujace na zasadach elek¬ trycznych przy wykorzystaniu zmian indukcji lub oporu. Zjawisko piezoelektrycznosci kwarcu umozliwilo równiez zbudowanie bardzo doklad¬ nego silomierza. Trudnosci jednak w otrzyma¬ niu duzych i wlasciwie zorientowanych plytek kwarcu lub turmalinu ograniczaja jego uzytko¬ wanie tylko do celów specjalnych.Silomierz elektryczny wedlug wynalazku po¬ siada duza dokladnosc pomiaru, praktycznie nieograniczona nosnosc, mozliwosc odczytania wskazan w znacznej nawet odleglosci od miej-sca poitUgru, mozliwosc zastosowania jednego ntlfi^Uc^ cA kilku Aacfejflltów, rAozliwosc wyko- rzystimia fcj saiftej |Ral^im%i^ika w róznych obszarac^ mierniczych przez wlaczenie i wyla¬ czenie wyskalowanych oporów elektrycznych, latwa i bezposrednia korekte wplywu tempera¬ tury, prosta konstrukcje nadajnika i niska jego cene oraz mozliwosc wykonania w warunkach krajowych.Na rysunku fig. 1 przedstawia schemat nadaje nika do silomierza w przekroju podluznym, fig. 2 — ten sam nadajnik w polowie w widoku i w polowie w przekroju uwidaczniajacym kon- " strukcje, fig. 3 — schemat elektrycznego urza¬ dzenia pomiarowego.Materialy sprezyste, ;pod dzialaniem dwóch przeciwnie skierowanych sil lezacych na wspól¬ nej (prostej, ulegaja odksztalceniu miedzy innymi równiez w kierunku dzialania tych sil o AL Wielkosc tych odksztalcen jest odpowiednikiem sily P, czyli AL = F(P). Znajac wlasciwosci roz¬ patrywanego materialu, mozna na podstawie pomiaru odksztalcenia powiedziec, jak wielka wywolala je sila. Wypowiedziana zasada jest podstawa budowy silomierza, którego nadajnik pokazano schematycznie na fig. 1. Sprezyste od¬ ksztalcenia pierscienia 7 oraz czesciowo korpu¬ su 11, spowodowane silami P dzialajacymi na przeguby 14, powoduja zmiane odstepu wzajem nego metalowych okladek kondensatora 4 i tym samym zmieniaja jego elektrostatyczna pojem¬ nosc. Kazdorazowy pomiar pojemnosci konden¬ satora okresla zatem na wycechowanej podzial- ce wielkosc sily powodujacej odksztalcenie spre¬ zyste.Urzadzenie sklada sie z nadajnika i przyrza¬ du pomiarowego. Nadajnik reaguje bezposred¬ nio na zmiany wielkosci mierzonej przemiesz¬ czeniem okladek kondensatora, którego pojem¬ nosc jest parametrem sily. Pomiar przeprowa¬ dza sie przy pomocy jednego ze znanych przy¬ rzadów elektrycznych stosowanych przy pomia¬ rach pojemnosci kondensatorów.Konstrukcje nadajnika przedstawia fig. 2.Pierscien 7 stanowi stal wysokogatunkowa lub kazdy inny material sprezysty, np. szklo. Spre¬ zysty pierscien 7, oprócz dokladnego wykonania, musi byc doszlifowany i dopasowany do czolo¬ wych powierzchni korpusu 11, wykonanych ze stali sprezynowej. W celu wzajemnego ustalenia polozenia pierscienia i korpusu zastosowano pierscien ustalajacy 8, natomiast oddalanie sie tych czesci od siebie uniemozliwia tuleja 9 z na¬ kretka 12. Nakretki 12 sciagaja sprezyscie za pomoca podkladek z twardej elastycznej gumy 13, 13' obydwa korpusy 11. Osiowe i równomier¬ ne przeniesienie sily zapewniaja wahliwe plyty dociskowe 14, 14', posiadajace dosc znaczna swo¬ bode ruchu wokól srodka wyznaczajacego kuli¬ sta krzywizne, a znajdujacego sie na podluznej osi nadajnika. Plyta jest polaczona z korpusem ptfzy pomocy'przegubu krzyzakowego (kardana) i sprezyny 1,1% tak iz stanowi nierozlaczna ca¬ losc nadajnika a mimo tego samoczynnie sowuje sie do powierzchni sciskajacych, np. ce¬ chowanej maszyny.-¦ ¦ \; 5O^ Dalsza czescia skladowa nadajnika jest kon¬ densator zlozony z dwóch metolowych okladzin 4, przymocowanych do korpusu za posrednic¬ twem izolatora 3. Dielektryk 6 moze byc dowol¬ nym gazem lub ciecza. Ze wzgledu na uzyska¬ nie duzej pojemnosci przy malych plytach i du¬ zym ich odstepie, stala dielektryczna powinna byc mozliwie duza. Zmienny w czasie pomiaru odstep miedzy plytami kondensatora wyklucza zastosowanie dielektryka w postaci stalej, gazy natomiast maja zwykle mala stala dielektrycz¬ na, poza tym za wyjatkiem powietrza otaczaja¬ cego trudne sa do zastosowania. Najpraktyczniej uzyc do tego celu cieczy np. gliceryny (e = 50).Przy stosowaniu dielektryka cieklego kondensa¬ tor umieszcza sie w zbiorniczku o scianach ela- styczrfych 5, który miesci nadmiar cieczy w cza¬ sie ruchów plyt kondensatora. W celu zabezpie¬ czenia dielektryka przed zapowietrzeniem, uszczelnia sie zbiorniczek za pomoca uszczelki 20. Nalezy dbac o to, aby maksymalne zblizenie plyt kondensatora nie przekraczalo, 0,2 — 0,5 maksymalnego odstepu w celu uzyskania bar¬ dziej równomiernej charakterystyki.Duza pojemnosc kondensatora 4 mozna uzy¬ skac równiez, stosujac okladki ksztaltu cylin¬ drycznego lub spiralnego, nasuwajace sie na sie¬ bie, poniewaz pojemnosc jest funkcja powierzch¬ ni (C = F(s)). Prostoliniowa zaleznosc pozwala na znaczne przesuniecie okladek. Dielektryk w tym przypadku moze byc równiez cialem sta¬ lym. Wada tego typu sa bardzo male przyrosty, niepozadane przy duzej dokladnosci pomiaru.Ogólnie nalezy dazyc do uzyskania duzej po¬ jemnosci oraz jej duzych przyrostów. Uboczne wplywy w postaci zmiennych pojemnosci wla¬ snych przewodów i innych czesci sa bowiem tym mniejsze, im wieksza jest pojemnosc mie¬ rzona. Zwiekszenie zatem mierzonej pojemnosci zezwala na zastosowanie dluzszych przewodów laczacych nadajnik z miernikiem.Do plyt kondensatora sa przymocowane prze¬ wody elektryczne 2 (fig. 2), wyprowadzone na zewnatrz otworami w korpusie, 11 i zakonczone gniazdkami 10 osadzonymi na tulei 9. Nadajnik Nr patentu37198 — 2jest polaczony z przyrzadem pomiarowym przy pomocy wtyczek i kabla o stalej dlugosci.Jak juz zaznaczono poprzednio, do pomiaru mozna zuzytkowac kazdy przyrzad sluzacy do pomiaru pojemnosci kondensatora. Dla przykla¬ du podano jeden z najbardziej praktycznych i dokladnych przyrzadów pomiarowych, przed¬ stawiony schematycznie na fig. 3. Zezwala on na pomiar -tak duzej, jak i malej pojemnosci elektrycznej kondensatorów, a w opisanym po¬ nizej przypadku pomiar sily, bowiem sila P jest funkcja pojemnosci (P = F(Cx)). Pojemnoscio¬ wy mostek oporowy 16 podobny do mostka Wheatstona, sklada sie z dwóch oporów omo¬ wych Rj, R2 o znacznych wartosciach oraz oraz z dwóch pojemnosci: stalej C4 i zmiennej C3. Kondensator C3 jest nadajnikiem przedsta¬ wionym na fig. 1, 2. Mostek 16 jest zasilany si¬ nusoidalnie zmienna sila elektromotoryczna SEM o czestosci n z generatora lampowego 15 ze sprezeniem zwrotnym wedlug Meisnera. Gdy sila P = O, to""opory Ri, R2 oraz pojemnosc C4 sa tak dobrane, ze róznica potencjalu miedzy punktami pomiaru jest równa zeru, co zachodzi, gdy spelniona jest równosc: Rl C4 = C3 R2 Najkorzystniej jest, gdy tak opory omowe jak . i pozorne kondensatorów sa sobie równe.. Kazdej zmianie sily odpowiadaja odksztalce¬ nia nadajnika i zmiana pojemnosci kondensa¬ tora C3, co z kolei powoduje zmiane przeplywu pradu w mostku. Miedzy punktami pomiaru wystapi napiecie odpowiadajace przylozonej si¬ le. Wielkosc napiecia mozna w przyblizeniu wy¬ liczyc zgodnie z zasadami rozkladu pradów w przewodach rozgalezionych, poslugujace sie pozornym oporem elektrycznym kondensatora w omach: 9 X 1011 Re= 2 X ji X n X X gdzie n jest czestotliwoscia pradu w cykl/sek, zas C — pojemnoscia kondensatora w cm.Opór R2 jest zlozony z trzech lub wiekszej liczby stalych oporów skladowych, które kolej¬ no zeruja mierzone napiecie przy odpowiadaja¬ cej kazdemu z nich sile. W ten sposób pomiar sily P, okreslonej nosnoscia nadajnika, odbywa sie w kilku nastepujacych po sobie etapach.Wlaczonym oporom odpowiadaja poszczególne podzialki przyrzadu pomiarowego lub przy jed¬ nej podzialce nalezy stosowac tabele przeliczen.Podzial na zakresy pomiarowe zwieksza doklad nosc. Mierzone napiecie o czestotliwosci n wzmacnia sie ukladem lampowym 17 i za po¬ moca suchego prostownika selenowego Lub kuprytdwego 18 przekazuje do przyrzadu wska¬ zujacego 19, którym jest zwykle amperomierz.Przyrzad wskazujacy korzystnie jest w pe¬ wnych przypadkach zastapic przyrzadem zero¬ wym, to znaczy takim, który wskazuje tylko, *e róznica potencjalów jest równa zeru. Zmien¬ ny wtedy opór RA nastawia sie tak, aby przy¬ rzad zerowy nie wykazywal przeplywu pradu.Odczyt wykonuje sie na wycechowanej podzial¬ ce polaczonej z regulatorem oporu R1# Róznica pomiedzy tym, a poprzednio opisanym sposo¬ bem podobna jest, jak róznica wagi zegarowej i nastawnej. Przyrzadem zerujacym moze byc zaleznie od czestotliwosci i nasilenia pradu brze- czyk lub sluchawka nastawiana na minimum tonu, galwanometr wibracyjny, balistyczny lub swietlny uzywany do pomiaru 'krótkotrwalych przebiegów lub równiez lampa elektronowa, po¬ pularnie zwana magicznym okiem. ^aleznie od wymaganej dokladnosci i innych okolicznosci mozna stosowac równiez inne sy¬ stemy pomiarowe, które tu nie sa szczególowo omówione, jako znane w literaturze. Bardzo do¬ kladny jest na przyklad sposób Maxwella-Thom- sona, polegajacy na okresowym ladowaniu i roz¬ ladowywaniu kondensatora wlaczonego w mo¬ stek elektryczny podobny jak wyzej opisany, lecz zasilany pradem stalym. Kolejne ladowanie i wyladowywanie powoduje kolektor obracany silnikiem elektrycznym o stalej liczbie obrotów, najlepiej synchronicznym. Dokladnosc pomiaru przy nalezytym wykonaniu jest bardzo duza i wynosi 10—5 mierzonej pojemnosci. Istnieje szereg uniwersalnych aparatów do pomiaru po¬ jemnosci, oporu i indukcji o stosunkowo malej dokladnosci w granicach 10—2 do 10—3, które mo_ ga byc zastosowane do dokonywania pomiarów nie wymagajacych duzych dokladnosci.Wplyw zmian temeperatury na dokladnosc po¬ miaru wynika stad, ze dielektryk kondensatora podlega polaryzacji pod wplywem pradu, i dla¬ tego zmienia stala dialektryczna e zaleznie od temperatury, a oprócz tego zmiana temperatury powoduje zmiane dlugosci poszczególnych cze¬ sci nadajnika. Zmiane wartosci stalej dielek¬ trycznej eo tj. takiej, jaka kondensator C» po¬ siada w temperaturze cechowania to, latwo uzu pelnic wstawianie dodatkowego oporu omowe¬ go R3 o wielkosci takiej, aby pozorny opór C3 i omowy R3 pozostal w takim samym stosunku do niezmiennego oporu pozornego C4, jak to bylo w temperaturze cechowania. Praktycznie, Na patentu 37198 '— 3 —sruba korekcyjna polaczona z oporem B4 nalezy przed pomiarem sprowadzic wskazówke ampe¬ romierza na 0.Latwo zauwazyc, ze wplyw temperatury na pojemnosc kondensatora C3 wynikajacy z roz¬ szerzalnosci liniowej jest maly; zwlaszcza jezeli dobrac odpowiednio spólczyimiki tej rozszerzal¬ nosci dla pierscienia 7 i wewnetrznych czesci korpusu 11, na których zamocowane sa plyty kondensatora 4. Odstepplyt kondensatora ó* po¬ zostaje- wtedy prawie bez zmiany. W celu zupel_ nego wyeliminowania tego wplywu nalezy wla¬ czyc opór- R3, którym przy zalozeniu* ze stala dielektryczna pozostaje niezmienna, mozna po¬ slugiwac sie tak samo jak oporem R4. Przy rów¬ noczesnym stosowaniu oporów Rs i R4 wyregu¬ lowanie mostka przed pomiarem wykonuje sie przy pomocy dwu niezaleznych suwaków na¬ stawianych na temperature odpowiadajaca na¬ dajnikowi. Takie nastawianie powinno zerowac wskazówke aniperomierza, co jest' kontrola.Czujnik wanien byc w tym przypadku zaopa¬ trzony w termometr. Drugi sposób — to sprzeg¬ niecie obu oporów wspólnym suwakiem, ktpry musi byc tak zbudowany, aby kazde jego uafca*- wierne zapewnialo wprowadzenie w obwód mostka oporów R3 i R4 we wlasciwym do siebie stosunku. Przed pomiarem: wystarczy wtedy ustawic bezposrednio suwakiem wskazówke na zero.Kondensator C3 nadajnika, w celu wyelimi¬ nowania wplywu zmiany stalej dielektrycznej, moze równiez posiadac dwa dielektryki, dzielace jego okladki, o róznych wspólczynnikach e, któ¬ rych znaczenie jest opisane dalej przy konden¬ satorze C4. Komplikuje to nieco budowe kon¬ densatora, bo wymaga dwu, a nawet dla syme¬ trii czterech zbiorników, czyni jednak zbednym opór R4. W niektórych przypadkach kondensa¬ tor C3 i i w celu wyeliminowania wplywów temperatury umieszczac w czasie pomiaru obok siebie. C4 jest wtedy kompensatorem temperatury.Kondensator C4- musi miec jak najbardziej stala pojemnosc nieczula na zmiany temperatu¬ ry. Mozna to uzyskac, laczac równolegle dwa jednakowe kondensatory o dielektrykach tak dobranych, aby wzajemnie znosily wplyw tempe¬ ratury. Jak widac ze wzoru: 8(to+At) = 8to .(l + k4t) (w których e(to + At) oznacza stala dielek¬ tryczna w tejnperatucze roznej o M od tem¬ peraturze cechowania, a Eto — stala dielek¬ tryczna w temperaturze cechowania) — zacho¬ dzi to, gdy wlasciwe dialetrykom wspólczynni¬ ki k maja przeciwne znaki. Powierzchnie ezyn- ne kondensatora musza byc proporcjonalne do bezwzglednych wartosci Je. Do znanych takich materialów, spelniajacych powyzsza zaleznosc, nalezy freauenta (k = + 100) i kerafar V (k = —100), calit (k = od +120 do +160) i con- densa N (k = od —340 do —380) oraz inne.Warunkiem dobrego pomiaru jest ekranowa¬ nie poszczególnych czesci apacala oraz przewo¬ dów, wlasciwe uziemienie oraz mozliwie syme¬ tryczna budowa. Uziemiony powinien byc rów¬ niez nadajnik. Przewody powinny byc bifilarne, a opory tak nawiniete, aby byly bezindukcyjne.Czestotliwosc drgan, generatora powinna byc stala, wplywa bowiem na zmiane stalej dielek¬ trycznej, a zatem i na wynik jpomiaru. Jako zró_ dla pradu stalego uzywa sie suchej baterii lub zasilacza sieciowego z filtrem i stabilizatorem napiecia. Stabilizator utrzymuje wyprostowane napiecie w pewnej stalej wartosci, mimo wahan zmiennego napiecia nasilajacego. Do tego celu sluza lampy jarzeniowe lub uklady lamp elek¬ tronowych. Generator umieszcza sie mozliwie daleko od mostka pomiarowego lub lepiej budo¬ wac go calkiem oddzielnie. Przy wysokich wy¬ maganiach dokladnosci pomiarów nalezy stoso¬ wac stabilizatory kwarcowe oraz kondensatory o ujemnym spólczynniku temperatury, kompen¬ sujace dodatni spólczynnik temperatury cewki.Poszczególne czesci przyrzadu pomiarowego sa umieszczone w przenosnej skrzyneczce wielko¬ sci aparatu radiowego.Dokladnosc pomiaru sily zalezna od wykonaia nadajnika i aparatu pomiarowego waha sie w dosc duzych granicach. Kondensatorowe czuj¬ niki, zasilane pradem o czestotliwosci 500 cykli/sek, o pojemnosci 50 — 250 cm i odste¬ pie plyt kondensatora 0,15 mm, uzywane do mierzenia malych odksztalcen, rejestruja przy¬ rosty dlugosci z dokladnoscia 2X10—5 mm. Przy zalozeniu dokladnosci tego samego rzedu, pomiar sily opisanym nadajnikiem mozna wykonac z dokladnoscia do 6X10—s. Biorac pod uwage, ze pojemnosc kondensatora przy zastosowaniu cie¬ klego dielektryka jest zancznie wieksza, nalezy liczyc sie z wyzsza dokladnoscia. Wspomniany systam pomiarowy MaxweUa mierzy bezwzgled_ na pojemnosc kondensatora z dokladnoscia do 0,01%, co odpowiada pomiarowi sily 3X10—5.Dokladnosc zatem w porównaniu xlo innych zna¬ nych i uzywanych mierników jft«t wysokiego rzedu. Wystarczy wspomniec^ ze obftcnie stoso¬ wane dynamometry o charakterze kontrolnym posiadaja dokladnosc tylko 5X10—3, a obciazni¬ ki do najbardziej precyzyjnego cechowania silo- Nr patentu 37108 — 4 ~mtosy- ww&GQittyGh wahacza? sie z dokladno¬ scia* do 2 X10—4. Opisany siloniierz ma zatem" charakter przyrzadu precyzyjnego.Silomierz elektryczny, podobnie jak i inne przyrzady tego typu, musi byc wycechowany na maszynie obciaznikowej.Zasadnicza konstrukcja przewidziana jest do pracy na sciskanie. W razie potrzeby mierzenia sil rozciagajacych nalezy zastosowac rewersor, czyli urzadzenie do zmiany sil rozciagajacych na sciskajace.Podana na fig. 2 zewnetrzna budowa nadajni¬ ka moze byc pod wzgledem ksztaltu zmieniana i dostosowywana kazdorazowo do warunk pomiaru sily. PL